Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Видео:ОТЦ 2020. ПЗ 04. Анализ переходных процессов в RLC контуре операторным методомСкачать

ОТЦ 2020. ПЗ 04. Анализ переходных процессов в RLC контуре операторным методом

Операторный метод расчета переходных процессов

Содержание:

Операторный метод расчета переходных процессов:

Для решения линейных дифференциальных и интегродифференциальных уравнений в теории электрических цепей нашел широкое применение так называемый операторный метод, основанный на преобразованиях Лапласа.

Сущность этого метода заключается в том что функции вещественного переменного t преобразуются в функции комплексного переменного Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Переход от функции вещественного переменного t к функции комплексного переменного p осуществляется с помощью прямого преобразования Лапласа

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Обратный переход от функции комплексного переменного р к функциям вещественного переменного t осуществляется на основании обратного преобразования Лапласа

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Функцию Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиназывают оригиналом, а функцию Метод операторных уравнений достоинства и недостатки— изображением оригинала по Лапласу или просто изображением.

Напомним, что для того чтобы функция Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиимела изображение (8.1), необходимо, чтобы она:

  1. удовлетворяла условиям Дирихле;
  2. была равна нулю для отрицательных значений t, т. е. при Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
  3. в интервале Метод операторных уравнений достоинства и недостаткине возрастала быстрее, чем некоторая показательная функция

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

где Метод операторных уравнений достоинства и недостатки— произвольные положительные числа, т.е. здесь не требуется абсолютная интегрируемость функции Метод операторных уравнений достоинства и недостаткикак это требуется в интегралах Фурье. Поэтому преобразования Лапласа возможны для более широкого класса функций, чем преобразования Фурье.

Применение свойств преобразования Лапласа в сочетании с теоремой разложения дает возможность составить таблицы изображений и оригиналов, облетающие и ускоряющие нахождение оригиналов по изображениям [4, 26]. Применение операторного метода совместно с компьютерными математическими программными средами делает анализ и расчет электрических цепей доступным, быстрым и интересным.

Особенностью метода является необходимость выполнения трех этапов:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Видео:Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задачаСкачать

Переходные процессы | Классический метод расчета переходных процессов. Теория и задача

Эквивалентные операторные схемы замещения элементов

Активное сопротивление:

На рис. 8.1 изображена схема замещения в операторном виде участка цепи с активным сопротивлением. Для этого участка цепи связь между операторным напряжением и током записывается в виде Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Индуктивность:

Для участка цепи с индуктивностью при ненулевых начальных условиях операторная схема замещения изображена на рис. 8.2.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Связь между операторным напряжением и током записывается в виде Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Емкость:

Для участка цепи с емкостью при ненулевых начальных условиях операторная схема замещения изображена на рис. 8.3.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Связь между напряжением и током устанавливает соотношение

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

В эквивалентных операторных схемах для индуктивности и емкости с ненулевыми начальными условиями возникают дополнительные источники ЭДС Метод операторных уравнений достоинства и недостаткикоторые называются внутренними. Они указывают на то, что в магнитном поле катушки и в электрическом поле конденсатора в момент коммутации была запасена энергия. Таким образом, начальные условия автоматически учитываются при переходе от интегрально-дифференциальных уравнений к алгебраическим (постоянную интегрирования вычислять не нужно).

Порядок расчета:

  1. определяют независимые начальные условия;
  2. составляют эквивалентную операторную схему замещения для послекоммутационной цепи;
  3. составляют систему уравнений в операторной форме в соответствии с выбранным рациональным методом расчета эквивалентной схемы замещения и решают ее относительно изображений неизвестных величин;
  4. для нахождения оригиналов неизвестных величин используют таблицы соответствия, формулы теоремы разложения, компьютерные программные среды и др.

Операторные функции электрических цепей

Основные операторные функции:

Операторной функцией цепи называется отношение изображения по Лапласу выходной величины Метод операторных уравнений достоинства и недостаткик изображению входной Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипри нулевых начальных условиях, т. е,

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Операторная функция зависит только от параметров цепи и ее схемы. Различают входные и передаточные операторные функции. В табл. 8.1 приведены соотношения для расчета операторных функций сложных цепей.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Для расчета операторных функции можно применять все методы расчета комплексных функций

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

т. е. комплексная функция является частным случаем операторной при замене оператора Метод операторных уравнений достоинства и недостаткина переменную Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Анализ переходных процессов в цепях с помощью операторных функций

По известной операторной функции цепи и операторному изображению воздействия можно найти реакцию цепи на это воздействие

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

На рис. 8.4 (а—в) приведены временные диаграммы переходных процессов, а также полюсно-нулевое представление на комплексной плоскости.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По расположению полюсов операторной функции можно судить о характере переходное процесса:

  • если все полюсы расположены только на отрицательной вещественной полуоси, то переходный процесс в цепи носит апериодический характер;
  • если имеются сопряженные полюсы в левой полуплоскости, то переходный процесс носит характер затухающих колебаний;
  • если все полюсы расположены только на отрицательной мнимой оси, то переходный процесс в цепи носит характер незатухающих колебаний.

Примеры решения задач

Пример 8.4.1.

В интегродифференцирующем контуре постоянного тока (рис. 8.5), применяемом для коррекции ЭЦ и САУ. определить напряжение Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипостроить его график, если

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Решение

Определяют независимые начальные условия — напряжения на емкостях. До коммутации ключ был разомкнут, напряжение на емкостях отсутствовало: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Изображают эквивалентную операторную схему замещения после коммутации (рис. 8.6).

Находят изображение напряжения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткигде

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Сопротивление всей цепи определяется выражением

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По данному изображению находят оригинал (рис. 8.7) напряжения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткидля этого пользуются таблицей преобразования Лапласа (см. табл. 8.2, п. 3.5) или преобразованиями в среде Mathcad (рис. 8.7).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Пример 8.4.2.

К пассивному -фильтру нижних частот подключается нагрузка Метод операторных уравнений достоинства и недостатки(рис. 8.8). Рассчитать и построить график, изменения Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
Дано: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Решение

Определяют независимые начальные условия — напряжение на емкости

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Изображают эквивалентную операторную схему замещения после коммутации (рис. 8.9).

Операторный ток Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиопределяют методом наложения, т.е. как алгебраическую сумму двух частичных токов Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Операторные схемы, соответствующие частичным токам, изображены на рис. 8.10.

Искомый ток Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Определяют частичный ток

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Аналогично определяют частичный ток

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По данному изображению Метод операторных уравнений достоинства и недостаткинаходят оригинал

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Подставляя числовые значения величин, получают

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Строят график тока Метод операторных уравнений достоинства и недостаткив компьютерной программной среде (рис. 8.11).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Выводы. До коммутации напряжение на емкости определялось падением напряжения на сопротивлении Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиТок, проходящий через емкость, был равен нулю. После коммутации произошло перераспределение напряжения между сопротивлениями Метод операторных уравнений достоинства и недостаткивследствие чего напряжение на емкости повысилось и образовался зарядный ток. Когда конденсатор зарядится до напряжения, определяемого на сопротивлениях Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипрохождение тока через емкость прекратится.

Пример 8.4.3.

Рассчитать коэффициент передачи по напряжению пассивной цепи (рис. 8.12) и составить ее схему так, чтобы при подключении на вход источника постоянной ЭДС Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиполучить на выходе напряжение вида:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
Решение

Применяя преобразования Лапласа, находят изображения Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Из прямых преобразований Лапласа и Фурье следует, что

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
Если принять Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитогда Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии схему можно составить из Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиэлементов (рис. 8.13).

Если принять Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитогда Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии схему можно составить из Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиэлементов (рис. 8.14).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Если принять Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитогда Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии схема будет иметь вид, изображенный на рис. 8.15.

Если принять Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитогда Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии схема будет иметь вид, изображенный на рис. 8.16.
Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Пример 8.4.4.

Параллельный колебательный контур (рис. 8.17) включается на постоянное напряжение Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Определить напряжение на конденсаторе и построить его опюру, если:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Решение

Определяют независимые начальные условия: напряжение на конденсаторе Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиток в катушке индуктивности Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Строят эквивалентную операторную схему замещения после коммутации (рис. 8.18).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Находят изображение напряжения на конденсаторе
Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По данному изображению находят оригинал по теореме разложения дробно-рациональной функции
Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

где Метод операторных уравнений достоинства и недостатки— некратные полюсы изображения напряжения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиМетод операторных уравнений достоинства и недостатки— начальные значения компонент изображения Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

При простых (некратных) полюсах Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиначальные значения компонент определяются но выражению [4]

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

а) Для первого варианта значений:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Полюсы изображения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипосле вычислений имеют значения:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Вычисляют производную Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии ее значение при Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Вычисляют начальные значения компонент Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Графики напряжения на конденсаторе и его компонентов получены в среде Mathcad и показаны на рис. 8.19.

Тоn же результат может быть получен по таблице преобразования Лапласа (табл. 8.2, п. 8), если знаменатель изображения напряжения на конденсаторе представить в виде

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

б) Для второго варианта числовых значений:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

а полюсыМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

Находят производную от Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии вычисляют ее значения при Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По теореме разложения определяют

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

где Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

или Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

График изменения напряжения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипредставлен на рис. 8.20.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Тот же результат может быть получен по таблице преобразования Лапласа (см. табл. 8.2, п. 13), если знаменатель Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипредставить в виде

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

Примечание. Результаты этого примера сравните с результатами примера 6.3. Оцените достоинства и недостатки классического и операторного методов расчета переходных процессов.

Пример 8.4.5.

После замыкания ключа четырехполюсник (рис. 8.21) используется для работы на частотеМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

а) коэффициент передачи по напряжению Метод операторных уравнений достоинства и недостаткив режиме холостого хода и при активной нагрузке Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

б) характер переходного процесса по кривой переходного процесса.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки
Дано:Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Решение

В режиме холостого хода

Изображают эквивалентную операторную схему замещения. На рис. 8.22 приведена операторная схема замещения при нулевых начальных условиях.

Находят изображение напряжения на выходе

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Определяют полюсы операторной функции из уравнения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитогда

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Переходной процесс в цепи имеет апериодический характер, что видно из расположения полюсов на комплексной плоскости (рис, 8.23).

В режиме нагрузки

Изображают эквивалентную операторную схему замещения после коммутации (рис. 8.24).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Определяют операторную функцию Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипо методу контурных токов, используя соотношение (см. табл. 8.1):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Определяют полюсы операторной функции из уравнения

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Для этога вначале вычисляют L и С.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Находят корни уравнения:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Переходный процесс в цепи имеет характер затухающих колебаний, что видно из расположения полюсов на комплексной плоскости (рис. 8.25).

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Электротехника
  2. Основы теории цепей
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Метод пространства состояний электрических цепей
  • Синтез электрических цепей
  • Цепи с распределенными параметрами
  • Электрическая энергия, ее свойства и применение
  • Переходные процессы в колебательных контурах
  • Расчет переходных процессов
  • Классический метод расчета переходных процессов
  • Анализ переходных и установившихся процессов методом интеграла свертки

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:Расчёт переходных процессов операторным методомСкачать

Расчёт переходных процессов операторным методом

V. Особенности расчета переходных процессов в цепях с емкостными контурами и индуктивными сечениями

Контуры, состоящие только из емкостей или емкостей и источников ЭДС, называются емкостными контурами.

Сечения, состоящие только из индуктивностей или индуктивностей и источников тока, называют индуктивными сечениями.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиЕсли в цепи в результате коммутации образуются емкостные контуры или индуктивные сечения или те и другие, то законы коммутации применимы только к емкостям и индуктивностям, не входящим в указанные контуры и сечения. Для емкостей емкостных контуров применяется закон неизменности заряда, а для индуктивностей индуктивных сечений применяется закон неизменности потокосцепления. Рассмотрим эти законы.

Закон неизменности заряда формулируется следующим образом: алгебраическая сумма зарядов емкостей, присоединенных к любому общему узлу, неизменна в момент коммутации. Т.е. Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, отсюда

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки. (5.1)

Сумму зарядов записывают с учетом положительных направлений напряжений на емкостях аналогично I закону Кирхгофа для токов, при этом учитывают только емкости емкостных контуров.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиПолагаем, что Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипредварительно заряжен до напряжения Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, т.е. Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиа Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

В емкостном контуре имеем два узла 1 и 2. Для любого из этих узлов закон (5.1) принимает вид:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки Метод операторных уравнений достоинства и недостаткино Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипоэтому

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

После коммутации цепь описывается уравнением Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, но Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиУчитывая это, получим Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиРешение этого уравнения записывается следующим образом Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, где Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Скачкообразное изменение напряжений обусловлено импульсными токами емкостей, которые возникают в момент коммутации и осуществляют мгновенное перераспределение зарядов между емкостями (рис. 5.2).

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиЗакон неизменности потокосцепления формулируется так: алгебраическая сумма потокосцеплений индуктивностей в любом замкнутом контуре не изменяется во время коммутации, т.е.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиили Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Сумму Метод операторных уравнений достоинства и недостаткизаписывают с учетом положительных направлений токов в индуктивностях и направления обхода контура аналогично II закону Кирхгофа для напряжений, при этом учитываются только индуктивности индуктивных сечений.

После коммутации цепи (рис. 5.3) имеем один контур, в который входят обе индуктивности сечения s.

Можно записать Метод операторных уравнений достоинства и недостаткигде

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

поэтому Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

После коммутации цепь описывается уравнением:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Решение этого уравнения следующее: Метод операторных уравнений достоинства и недостаткигде Метод операторных уравнений достоинства и недостатки Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиПереходной ток равен: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

В момент коммутации Метод операторных уравнений достоинства и недостаткитоки изменяются скачком (рис. 5.4), т.к. на индуктивностях возникают импульсные напряжения, приводящие к мгновенным перераспределениям магнитного потока между катушками.

Необходимо составить уравнения для определения начальных значений напряжений на емкостях схемы (рис. 5.5).

После замыкания ключа в схеме образуется емкостной контур Метод операторных уравнений достоинства и недостатки. Для узлов 1 и 2 составим уравнения неизменности заряда:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По II закону Кирхгофа для емкостного контура получим уравнение:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Из этих уравнений определим Метод операторных уравнений достоинства и недостаткипри известных значениях Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Емкость Метод операторных уравнений достоинства и недостаткине входит в емкостной контур, поэтому ее напряжение непрерывно: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиСоставить уравнения для определения начальных значений токов в индуктивностях схемы (рис. 5.6).

При отключении ключа в схеме образуется индуктивное сечение Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Для указанных на рис. 5.6 трех контуров составим уравнения неизменности потокосцеплений:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

По I закону Кирхгофа для сечения получим уравнение:

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиМетод операторных уравнений достоинства и недостатки

Из этих уравнений находим Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Индуктивность Метод операторных уравнений достоинства и недостаткив сечение не входит, поэтому Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Заключение

Рассмотрим достоинства и недостатки расчета переходных процессов рассмотренными методами.

В цепях с характеристическим уравнением первой или второй степени трудности расчета небольшие и примерно одинаковы, каким бы методом ни производили расчет. Классический метод в этих случаях даже несколько проще. Чем выше степень характеристического уравнения, тем больше уравнений нужно решать совместно при определении постоянных интегрирования и тем больше возрастают трудности расчета при пользовании классическим методом. Для разветвленной цепи с характеристическим уравнением выше четвертой или пятой степени расчет классическим методом представляет известные трудности из-за сложности определения четырех и более постоянных интегрирования.

Если цепь представляет собой полный многоугольник, т.е. каждый узел связан ветвью со всеми остальными узлами, то трудности определения постоянных интегрирования, свойственные классическому методу, возрастают с увеличением числа узлов и степени характеристического уравнения. В более простых цепях, когда все узлы не связаны друг с другом, часто можно значительно уменьшить число уравнений, которые нужно решать совместно. В особенности это касается цепей с двумя узлами. В последнем случае, как и в ряде других, разумно ввести в рассмотрение потенциалы узлов.

Таким образом, если степень характеристического уравнения выше четвертой – пятой, классическим методом пользоваться менее целесообразно, а нужно пользоваться операторным методом.

Переходя к операторному методу, сравним два варианта – расчет переходных токов по теореме разложения и расчет свободных токов по их изображениям.

При расчете операторным методом не нужно определять постоянные интегрирования из начальных условий решением какой-либо системы уравнений. Кроме того, при расчете изображений в эквивалентных операторных схемах можно пользоваться всеми ранее известными методами расчета цепей при установившихся режимах. Эти два момента и определяют достоинства операторного метода.

К недостаткам операторного метода надо отнести утомительность вычисления слагаемых сумм в теореме разложения. Если при расчете по теореме разложения находятся сразу переходные токи, то из-за наличия внешних ЭДС (гармонических с разными частотами и экспоненциальных с разными коэффициентами затухания) усложняются многочлены в составе изображения какого-либо тока или напряжения. Если, например, цепь содержит три гармонические ЭДС разной частоты, то число слагаемых в теореме разложения больше степени характеристического уравнения по крайней мере на три. Кроме того, все изображения усложняются за счет внутренних (расчетных) ЭДС Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии Метод операторных уравнений достоинства и недостатки. Отметим также, что обычная форма теоремы разложения неприменима при наличии кратных корней.

Отметим, что расчет по теореме разложения возможен и для всех таких внешних ЭДС, изображения которых являются отношением двух целых трансцендентных функций.

Расчет операторным методом только свободных токов по их изображениям целесообразен тогда, когда действует ряд различных по характеру внешних ЭДС (гармонических с разными частотами и экспоненциальных с разными коэффициентами затухания). В эквивалентную операторную схему для свободных токов внешние ЭДС не входят, что существенно упрощает изображения токов и напряжений. Однако для определения внутренних (расчетных) ЭДС необходимо рассчитать режим до коммутации и режим после коммутации. Поэтому рассматриваемый вариант операторного метода применим в тех случаях, когда внешние ЭДС имеют простую форму изменения (гармоническую, экспоненциальную, постоянную) и вынужденные токи сравнительно легко найти.

Расчет переходных процессов частотным методом очень близок к расчету операторным методом и характеризуется теми же достоинствами и недостатками. Частотный метод целесообразно применять для расчета переходных процессов в заданной системе в том случае, если для исследования каких-либо других процессов в ней уже применялись частотные методы, аналитическим аппаратом которых является преобразования Фурье. К таким системам относятся, например, линейные системы автоматического регулирования, для которых необходимо исследовать устойчивость при помощи одного из геометрических критериев, исследовать качество регулирования и полностью рассчитать какие-нибудь переходные процессы. Этот метод целесообразно применять при приближенном расчете переходных процессов по вещественной частотной характеристике, особенно когда амплитудная и фазовая частотные характеристики входного сопротивления или проводимости получены экспериментально. В этих случаях метод интеграла Фурье имеет преимущества перед операторным методом. Заметим, что пользуясь операторным методом, входные или взаимные операторные проводимости можно только рассчитать и нельзя получить опытным путем. Проводя же расчет методом интеграла Фурье, получив экспериментально характеристики входных или взаимных проводимостей, имея ЭДС и найдя ее частотный спектр, можно графически найти частотный спектр тока и построить его вещественную или мнимую частотные характеристики. Далее, применяя метод трапеций, можно приближенно рассчитать переходный процесс.

Если напряжение на зажимах пассивного двухполюсника дано кусочно-аналитической кривой, имеющей разрывы, расчет целесообразно вести при помощи интеграла Дюамеля. При этом переходная проводимость или переходная функция находятся одним из известных методов.

Отметим также, что при использовании любым из указанных методов можно задачу расчета переходных процессов с ненулевыми начальными условиями свести к задаче с нулевыми начальными условиями. целесообразность этого приема нужно выяснить в каждом конкретном случае с точки зрения максимально возможного упрощения расчета.

В заключении укажем, что операторный метод и метод интеграла Фурье весьма широко применяются в теории автоматического регулирования и при расчете переходных процессов в электрических машинах, а операторный метод и в некоторой мере метод интеграла Фурье – еще при расчете переходных процессов в цепях с распределенными параметрами, в то время как классический метод во всех этих случаях почти не находит применения.

Видео:2015-06-27. Операторный методСкачать

2015-06-27. Операторный метод

II. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА

ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Основные вопросы

Сущность операторного метода.

Преимущества и недостатки операторного метода по сравнению с классическим методом расчета переходных процессов.

Изображения простейших функций (постоянной, Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, Метод операторных уравнений достоинства и недостатки).

Изображения производной и интеграла от функции.

Операторные изображения напряжений на индуктивности и емкости.

Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме при нулевых и ненулевых начальных условиях.

Операторный метод нахождения свободных составляющих переходных токов и напряжений (метод Богатырева).

Способы определения оригинала по изображению. Теорема разложения.

Литература

Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил Л.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. – М.: Энергия, 1975. – Гл. 19.

Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. – М.: Энергия, 1966. – Т. 2. – Гл. 10.

Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1978. – § 283–310.

Примеры

Задача 1

Индуктивная катушка (рис. а) с параметрами R = 2 Ом; L = 1 Гн включается на напряжение, изменяющееся по закону

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, где U0 = 10 B; β = 2 с –1 .

Определить мгновенное значение переходного тока и его максимальную величину.

Решение

Эквивалентная операторная схема представлена на рис. б. Операторное изображение источника питания:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Операторное изображение тока (на основании закона Ома):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиПереход к оригиналу по таблицам соответствия

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Поскольку Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, мгновенное значение искомого переходного тока определится соотношением: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Примерный график переходного тока изображен на рис. в.

Определение максимального значения переходного тока:

а) момент времени t0 соответствует максимуму тока, т.е. экстремуму функции i(t). Поэтому

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки,

откуда Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии Метод операторных уравнений достоинства и недостаткис;

б) максимальное значение переходного тока

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиА.

Ответ: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиА.

Задача 2

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиНайти закон изменения напряжения на индуктивности после размыкания ключа в схеме (рис. а): E = 150 B; R1 = 10 Ом; C = 10 –3 Ф; R2 = 5 Ом; L = 1 Гн.

Решение

1. Эквивалентная операторная схема рассматриваемой цепи представлена на рис. б. Операторные изображения стороннего и внутренних источников энергии

2. Операторные ЭДС внутренних источников энергии. На основании законов коммутации Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Следовательно, Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

3. Операторное изображение переходного напряжения на индуктивности (рис. б): Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Операторное изображение тока в ветви с индуктивностью целесообразно отыскивать с помощью метода двух узлов. Для схемы (рис. б)

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

4. Переход к оригиналу. В соответствии с теоремой разложения

f(t) = Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

переходное напряжение на индуктивности определится соотношением

uL(t) = Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

а) корни характеристического уравнения Метод операторных уравнений достоинства и недостатки:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

б) значения Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии Метод операторных уравнений достоинства и недостатки:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

в) переходное напряжение на индуктивности

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Ответ: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиЗадача 3

В цепи (рис. а) известно: R1 = 50 Ом; R2 = 30 Ом; L = 100 мГн;

C = 200 мкф; U = 1000 B.

Определить ток i1(t) в переходном режиме.

Решение

Эквивалентная операторная схема рассматриваемой цепи представлена на рис. б. Операторные сторонние и внутренние источники энергии: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Операторные ЭДС внутренних источников энергии. По законам коммутации Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Следовательно, Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостаткии

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Изображение искомого тока. По методу контурных токов (рис. б) (для операторных изображений пригодны все методы расчета стационарных режимов):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки(1)

Система уравнений (1) после подстановки цифровых значений

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки(2)

Решение системы (2) относительно I11(p):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Переход к оригиналу. Корни характеристического уравнения F2(p) = 0:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки1/с;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Теорема разложения для случая комплексных корней:

f(t) = L –1 Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

С учетом того, что Метод операторных уравнений достоинства и недостатки, переходный ток определится выражением:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Ответ:i1(t) = Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Задача 4

L = 0,25 Гн; C = 400 мкФ; f = 50 Гц.

Метод операторных уравнений достоинства и недостаткиКлюч замыкается в момент, когда синусоидальная ЭДС генератора имеет отрицательное максимальное значение (φe = — 90°).

Определить переходный ток i2(t) методом Богатырева.

Решение

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Принужденная составляющая искомого тока (отыскивается с помощью символического метода):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Свободная составляющая переходного тока i2(t):

а) эквивалентная операторная схема для свободного режима представлена на рис. б.

б) ЭДС внутренних источников энергии свободного режима:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

В соответствии с законами коммутации Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Докоммутационные значения тока в индуктивности и напряжения на емкости (t £ 0)

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

К моменту коммутации Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Следовательно, Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Принужденные значения тока в индуктивности и напряжения на емкости

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Значения свободных составляющих тока в индуктивности и напряжения на емкости в момент коммутации (t = 0):

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

в) изображение свободной составляющей искомого тока:

по методу двух узлов (рис. б)

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

г) оригинал свободной составляющей искомого тока. Корни характеристического уравнения F2(p) = 0:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки; Метод операторных уравнений достоинства и недостаткис –1 ;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки;

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

По теореме разложения в случае комплексных корней

f(t) = L –1 Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки.

Общее решение для искомого переходного тока:

Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

Ответ: Метод операторных уравнений достоинства и недостатки

📸 Видео

Пример 7 | Операторный метод расчета цепи 1-го порядка с конденсаторомСкачать

Пример 7 | Операторный метод расчета цепи 1-го порядка с конденсатором

1 6 3 Операторный метод анализаСкачать

1 6 3 Операторный метод анализа

13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядкаСкачать

13. Операционное исчисление. Решить неоднородное ДУ 2 порядка

Решение ДУ.Операционный методСкачать

Решение ДУ.Операционный метод

Переходные процессы, операторный методСкачать

Переходные процессы, операторный метод

Пример 7 | Классический метод расчета цепи 1-го порядка с конденсаторомСкачать

Пример 7 | Классический метод расчета цепи 1-го порядка с конденсатором

Лекция 092-3. Расчет переходных процессов операторным методом. Теорема разложенияСкачать

Лекция 092-3. Расчет переходных процессов операторным методом. Теорема разложения

Лекция 092-1. Расчет переходных процессов операторным методом. Основные понятияСкачать

Лекция 092-1. Расчет переходных процессов операторным методом. Основные понятия

Расчет переходных процессов и построение графиков в Mathcad Prime [операторный метод].Скачать

Расчет переходных процессов и построение графиков в Mathcad Prime [операторный метод].

Пример 6 | Операторный метод расчета цепи 1-го порядка с конденсаторомСкачать

Пример 6 | Операторный метод расчета цепи 1-го порядка с конденсатором

Лекция 122. Переходные процессыСкачать

Лекция 122. Переходные процессы

Решение диф.уравнений операторным методомСкачать

Решение диф.уравнений операторным методом

Лекция 092-2. Расчет переходных процессов операторным методом. Операторная схема замещенияСкачать

Лекция 092-2. Расчет переходных процессов операторным методом. Операторная схема замещения

14. Операционное исчисление. Система ДУСкачать

14. Операционное исчисление.  Система ДУ

Система дифференциальных уравнений. Операционный методСкачать

Система дифференциальных уравнений. Операционный метод
Поделиться или сохранить к себе: