- •Федеральное агентство связи
- •Оглавление
- •Общее представление о предмете электротехника
- •Основные понятия в теоретической электротехнике
- •Понятия об электрической цепи и схеме
- •Расчет цепей на постоянном токе
- •Законы Кирхгофа
- •Переменные токи и напряжения Основные понятия и параметры
- •Оценка переменного тока и напряжения
- •Понятия о комплексных и полных сопротивлениях электрической цепи
- •Гармонический ток в пассивных элементах электрической цепи
- •3 Емкость
- •Анализ последовательной rlc-цепи при гармоническом воздействии
- •Параллельные rlc - цепи
- •Принцип дуальности в электрических цепях
- •Принцип и метод наложения в теории цепей.
- •Теоремы об эквивалентных источниках или генераторах (Теорема об автономном двухполюснике)
- •Теорема обратимости или взаимности
- •Примеры
- •Колебательные контуры и резонансы в электрических цепях
- •Последовательный колебательный контур
- •Частотные характеристики последовательного контура
- •Влияние внешнего сопротивления на избирательность контура
- •Параллельный колебательный контур (простой)
- •1. Идеализированный контур
- •Реальный параллельный контур
- •Частотные зависимости параллельного контура
- •Влияние внешних сопротивлений на избирательность контура (Добротность, полоса пропускания, коэффициент подавления)
- •Сложные параллельные контуры
- •Мощность в цепи переменного тока
- •Расчет мощности в комплексной форме
- •Баланс мощности в цепях переменного тока
- •Физический смысл баланса мощности
- •Определение условия максимума активной мощности при передаче энергии от источника в нагрузку
- •Электрические цепи с взаимно индуктивными связями и методы их расчета Основные понятия о взаимной индукции
- •Последовательное и параллельное соединения индуктивно связанных элементов
- •1. Последовательное соединение
- •2. Параллельное соединение
- •Электрический трансформатор
- •2.Уравнения и схемы замещения реального трансформатора (двухобмоточного, без ферромагнитного сердечника)
- •Входное сопротивление реального трансформатора
- •Переходные процессы в электрических цепях Основные понятия о переходных процессах
- •Законы коммутации
- •Начальные и конечные условия
- •Схемы замещения элементов в различные моменты времени
- •IL (0_) l пост
- •Классический метод расчета переходных процессов
- •Анализ переходных процессов в rlc цепях классическим методом Последовательные и параллельные rl и rc цепи
- •Переходные процессы в rlc цепях Последовательная rlc цепь Подключение источника постоянного напряжении
- •Отключение источника в последовательной rlc-цепи
- •Расчет переходных процессов в сложных цепях
- •Операторный метод расчета переходных процессов Преобразования Лапласса
- •Операторные схемы замещения реактивных элементов
- •Нахождение функции времени в операторном методе
- •Операторные передаточные функции
- •Методы расчета передаточных функций
- •Временные характеристики электрических цепей
- •Методики расчета временных характеристик
- •Пример нахождения временных характеристик
- •Расчет откликов в электрической цепи на кусочно-непрерывное воздействие. (Интеграллы Дюамеля и наложения)
- •Определение отклика на прямоугольный импульс.
- •Дифференцирующие и интегрирующие цепи Общие понятия
- •Дифференцирующие цепи
- •Интегрирующие цепи
- •Спектральный метод расчета в электрических цепях Понятие о спектре периодического сигнала
- •Спектральный анализ и синтез на основе рядов Фурье
- •Графическое временное и частотное изображения спектра периодического сигнала
- •Спектр последовательности прямоугольных импульсов
- •Понятие о расчете цепей при периодических сигналах
- •Понятие о спектре непериодического сигнала
- •Спектры некоторых типовых сигналов
- •Понятие об энергетическом спектре одиночных сигналов. Ширина спектра
- •Условия безыскаженной передачи электрических сигналов
- •Нелинейные электрические цепи Основные понятия о нелинейных цепях
- •Расчет простейших нелинейных резистивных цепей
- •Аппроксимация характеристик нелинейных элементов
- •Определение реакции нелинейного элемента на гармоническое воздействие
- •Анализ спектра реакции в нелинейном элементе
- •Линейные цепи с распределенными параметрами. Длинные линии.
- •Уравнения однородной линии в стационарном режиме
- •Бесконечно длинная однородная линия. Согласованный режим работы
- •Линия без искажений
- •Уравнения линии конечной длины
- •Уравнения длинной линии как четырехполюсника
- •Линия без потерь
- •Стоячие волны в длинных линиях
- •Волновое сопротивление длинной линии.
- •Теория четырехполюсников Основные понятия и классификация четырехполюсников
- •Основные характеристики четырехполюсников
- •Системы параметров. Матричные параметры чп
- •Сложные четырехполюсники. Виды соединений чп
- •Рабочие параметры чп
- •Характеристические параметры четырехполюсников
- •Каскадное согласованное включение четырехполюсников
- •Рабочая мера передачи
- •Теория электрических фильтров Общие понятия
- •Классификация частотно – избирательных электрических фильтров
- •Лестничные реактивные фильтры
- •Реактивные фильтры типа к
- •Теорема о реактивных фильтрах типа к
- •Фнч типа к (полузвено)
- •Фнч типа к (полузвено)
- •Фвч типа «к» (полузвено)
- •Полосовые фильтры типа «к»
- •Режекторный фильтр типа «к»
- •Достоинства и недостатки фильтров типа k
- •Искажения сигнала в эц
- •Корректирующие цепи (корректоры). Общие положения.
- •Принцип корректирования амплитудно-частотных искажений (ачи)
- •Стандартные схемы амплитудных корректоров
- •Фазовые корректоры
- •Электрические машины постоянного тока Устройство электрической машины постоянного тока
- •Принцип действия машины постоянного тока
- •Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора
- •Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов
- •Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением
- •Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя. Основные уравнения
- •Механические характеристики электродвигателей постоянного тока
- •Электрические машины переменного тока Вращающееся магнитное поле
- •Информационные электрические машины Сельсины
- •Поворотные трансформаторы. Индуктосины. Редуктосины
- •Тахогенераторы
- •Шаговые электродвигатели
Линейные цепи с распределенными параметрами. Длинные линии.
Электрические цепи можно подразделить на две большие группы :
1) Цепи с сосредоточенными параметрами – здесь привычные параметры сопротивления, индуктивности и емкости сосредоточены в локальных точках цепи
2) цепи с распределенными параметрами- здесь привычные параметры сопротивления, индуктивности и емкости не сосредоточены в локальных точках цепи , а распределены по ее объему. В таких цепях не применимы непосредственно законы Кирхгофа для токов и напряжений, а следует использовать законы электромагнитного поля (уравнения Максвелла).
Для оценки, к какому типу отнести цепь с сосредоточенными или распределенными параметрами – следует сравнить ее геометрические размеры с длиной электромагнитной волны λ=V▪T=V/f. Если размеры цепи сопоставимы с l>0,1……0,25∙ λ, то цепь следует рассматривать как цепь с распределенными параметрами, так как здесь нельзя пренебречь временем распространения электромагнитного колебания (волны) по цепи.
Если только длина цепи сопоставима с четвертью длины волны, а остальные параметры не сопоставимы, то такую цепь называют длинной линией. Например, для ƒ=5OΓц, т.е. приТ=0.02c и V=3▪108м/c, λ = 6000▪103м
и λ/4=1500 км. Для ƒ=108Гц λ/4=0,75м, т.е. уже при l=0,5м к цепи следует подходить как к цепи с распределенными параметрами, так как здесь нельзя пренебречь временем распространения волны.
Длинная линия (линия передачи) – устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток электромагнитной энергии в заданном направлении. Линия называется регулярной, если в продольном направлении неизменны ее поперечное сечение, положение ее в пространстве и электромагнитные свойства заполняющих ее сред. Линия является однородной, если в произвольном поперечном сечении параметры среды неизменны.
Для исследования процессов в цепи с распределенными параметрами (в основном длинных линий) введем дополнительное условие о равномерности распределения вдоль линии ее параметров: индуктивности, сопротивления, емкости и проводимости. Такую линию называют однородной. Линию с неравномерным распределением параметров часто можно разбить на однородные участки.
Уравнения однородной линии в стационарном режиме
Под первичными параметрами линии будем понимать сопротивление R0 (Ом/м) индуктивность L0 (Гн/м), проводимость G0 (go) (Cм/м) и емкость C0 (Ф/м), отнесенные к единице ее длины. Для получения уравнений однородной линии разобьем ее на отдельные участки бесконечно малой длины dх << λ/4 со структурой, показанной на рис. 1, где переменная х показывает расстояние от начала линии. Здесь уже можно применить законы Кирхгофа. Пусть напряжение и ток в начале такого элементарного участка равны u и i, а в конце соответственно и . Здесь используются частные производные, так как ток и напряжение еще функции времени.
Разность напряжений в начале и конце участка определяется падением напряжения на резистивном и индуктивном элементах, а изменение тока на участке равно сумме токов утечки и смещения через проводимость и емкость. Таким образом, по законам Кирхгофа с учетом, что ток и напряжение следует рассматривать функциями двух переменных координаты х и времени t получим
или после сокращения на dx
; |
(1) |
. |
(2) |
Эти уравнения называют телеграфными, так как были рассмотрены при исследовании передачи телеграфных сообщений.
Теорию цепей с распределенными параметрами в установившихся режимах будем рассматривать для случая синусоидального тока. Тогда полученные соотношения при ƒ=0 можно распространить и на цепи постоянного тока, а воспользовавшись разложением в ряд Фурье – на линии периодического несинусоидального тока. При гармоническом воздействии, вводя комплексные величины и заменяя ∂⁄∂t на jω, на основании (1) и (2) получаем
-dU⁄dx=( Ro+jωLo) ∙I=Ζo∙I; |
(3) |
-dI ⁄dx=( Go+jωCo) ∙U=Yo∙U |
(4) |
Где Ζo = Ro+jωLo и Yo=Go+jωCo - соответственно комплексные продольное сопротивление и поперечная проводимость схемы замещения на единицу длины линии.
Продифференцировав (3) по х и подставив выражение dI⁄dx из (4), запишем
d²U ⁄dx² = Ζo∙Yo∙U
Характеристическое уравнение
p²-Ζo∙Yo=0,
откуда
p=± - величина комплексная, обозначаемая γ=α+jβ и называемая постоянная распространения длинной линии; α- коэффициент ослабления (затухания); β - коэффициент фазы длинной линии.
Таким образом, будем иметь в решении две составляющие для действующих значений напряжений
U=А1∙е-γ∙x+A2∙eγ∙x=A1∙e-α∙x∙e-jβ∙x+A2∙eα∙x∙ejβ∙x |
(5) |
Для тока согласно уравнению (3) можно записать
, |
(6) |
где - волновое сопротивление линии.
Волновое сопротивление ZВ и постоянную распространения γ называют вторичными параметрами длинной линии, которые характеризуют ее свойства как устройства для передачи электрического сигнала. Определяя и, на основании (5) запишем
. |
(7) |
Аналогичное уравнение согласно (6) можно записать для тока.
Слагаемые в правой части соотношения (7) можно трактовать как бегущие волны: первая движется и затухает в направлении возрастания х, вторая убывания х. Действительно, в фиксированный момент времени каждое из слагаемых представляет собой затухающую (вследствие потерь энергии) гармоническую функцию координаты х, а в фиксированной точке – синусоидальную функцию времени.
Волну, движущую от начала линии в сторону возрастания х, называют прямой (падающей), а движущуюся от конца линии в направлении убывания х – обратной (отраженной). Коэффициент ослабления показывает как изменяется амплитуда или действующее значение составляющей волны (например прямой волны) на единицу длины в логарифмических единицах , а коэффициент фазыβ=Ψ(x)-Ψ(x+1) – как изменяется фаза составляющей волны на единицу длины в однородной линии.
На рис. 2 представлена затухающая синусоида прямой волны для моментов времени и . Перемещение волны характеризуется фазовой скоростью. Это скорость перемещения по линии неизменного фазового состояния, т.е. скорость, с которой нужно перемещаться вдоль линии, чтобы наблюдать одну и ту же фазу волны:
. |
(8) |
Продифференцировав (8) по времени, получим
. |
(9) |
Длиной волны называется расстояние между двумя ее ближайшими точками, различающимися по фазе на 2рад. В соответствии с данным определением
,
откуда
и с учетом (9)
.
В соответствии с введенными понятиями прямой и обратной волн распределение напряжения вдоль линии в любой момент времени можно трактовать как результат наложения двух волн: прямой и обратной, перемещающихся вдоль линии с одинаковой фазовой скоростью, но в противоположных направлениях:
, |
(10) |
где в соответствии с (5) и.
Представление напряжения в виде суммы прямой и обратной волн согласно (10) означает, что положительные направления напряжения для обеих волн выбраны одинаково: от верхнего провода к нижнему.
Аналогично для тока на основании (6) можно записать
, |
(11) |
Где и.
Положительные направления прямой и обратной волн тока в соответствии с (11) различны: положительное направление прямой волны совпадает с положительным направлением тока (от начала к концу линии), а положительное направление обратной волны ему противоположно.
На основании (10) и (11) для прямых и обратных волн напряжения и тока выполняется закон Ома в комплексной форме
|
, |
|