Анализ установившихся и переходных режимов в линейных электрических цепях

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ установившихся

и переходных режимов в линейных электрических цепях

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

Выполнил

Гололобов А. В.

   

МГТУ 
им. Н. Э. Баумана

Группа БМТ2-42

Проверил

Николаев С. С.

   

Вариант 5в


 

Содержание

Содержание………………………………………………………………… 2

Техническое задание  ………………………………………….……………4

  1. Расчет источника гармонических колебаний (ИГК) …………….……….7
    1. Определение тока на индуктивности ……………………….……….. 7
    2. Мгновенные значения тока и напряжения на первичной обмотке трансформатора их волновые диаграммы…………………………… 9
    3. Определение значение М58 и М59, L8 и L9 трансформатора…….. 10
  2. Расчет четырехполюсника ………………………………………………..11
    1. Расчет  токов и напряжений методом входного сопротивления, построить векторную диаграмму токов и напряжений …………….12
    2. Расчет резонансных режимов в четырехполюснике……………….. 13
    3. Расчет передаточной функции четырехполюсника………………… 15
    4. Определить и построить АЧХ и ФЧХ……………………………….. 16
    5. Годограф ……………………………………………………………….17
    6. Расчет переходной и импульсной характеристик …………………..18
  3. Расчет переходных процессов классическим методом …………………23
    1. Расчет входного тока и напряжения четырехполюсника при подключении его к леммам с напряжением u4(t) в момент времени t=(2kπ-ψu3)/ω …………………………………………………………...23
  4. Расчет установившихся значений напряжений и токов в четырехполюснике при несинусоидальных воздействиях…………………………………… 30
    1. Рассчитать законы изменения входного тока и выходного напряжения частотным методом ……………………………………………………30
    2. Графики uvx(t)=u4(t), uvx(t),ivx(t), uvix(t) ………………………………..33
    3. Определение действующих значений uvx(t),ivx(t), uvix(t), а также активной мощности, потребляемой четырехполюсником……………………………………….………….. 35
    4. Замена несинусоидальных кривых uvx(t)и ivx(t) эквивалентными синусоидами …………………………………………………………..35
    5. Расчет операторным методом uвых …………………………………..38

Выводы по выполненной  работе …………………………………………41

Список использованной литературы ……………………………………..43

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Техническое задание

 

1. Расчет источника гармонических  колебаний (ИГК)

1.1. Представить  исходную схему ИГК относительно первичной обмотки трансформатора эквивалентным источником напряжения. Определить его параметры, значение тока в первичной обмотке трансформатора. В качестве первичной обмотки трансформатора выбрать индуктивность в любой ветви, кроме ветви с идеальным источником тока.

1.2. Записать  мгновенные значения тока  и  напряжения в первичной обмотке  трансформатора и построить их  волновые диаграммы.

1.3. Определить значения Mnq, Mnp, Lq, Lp ТР из условия, что индуктивность первичной обмотки Ln известна, U1 = 5 B, U2 = 10 B. Коэффициент магнитной связи обмоток k следует выбрать самостоятельно в диапазоне: 0,5 < k < 0,95 (n, p, q, - номера индуктивностей ТP). Записать мгновенные значения  u1(t) и u2(t).

2. Расчет и анализ четырехполюсника.

2.1. Рассчитать токи и напряжения в схеме четырехполюсника методом входного сопротивления (или входной проводимости), построить векторные диаграммы токов и напряжений.

2.2. Записать мгновенные  значения u1 = u3 = uвх , iвх  и uвых , определить сдвиг по фазе между выходным и входным напряжениями, а также отношение их действующих значений.

2.3. Включить в схему четырехполюсника реактивное сопротивление (индуктивность или емкость) таким образом, чтобы uвх и iвх совпадали по фазе. Определить значение параметра реактивного элемента, а также входное сопротивление(проводимость), входной ток, добротность.

 

2.4. Определить передаточные функции: W(s) = Uвых(s)/Uвх(s),W(jw) = Uвых/Uвх.

2.5. Определить и построить амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики. Используя частотные характеристики, определить uвых при заданном uвх.

2.6. Построить годограф – линию семейства точек комплексной передаточной функции в диапазоне частот от 0 до ¥ на комплексной плоскости.

3. Расчет переходных процессов классическим методом

3.1.  Определить и построить переходную и импульсную характеристики четырехполюсника для  входного тока и выходного напряжения. Показать связь переходной и импульсной характеристик для выходного напряжения с передаточной функцией.

3.2. Переключатель Кл перевести в положение 2 (см. рис.2) в момент времени, когда входное напряжение u3(t) = 0, du3/dt > 0, т.е. в момент начала положительного импульса напряжения u4(t). Это условие будет выполнено при равенстве аргумента входного напряжения (wt + yu3) = 2 kp, где k = 0, 1, 2, 3. Рассчитать  и построить графики изменения тока iвх и напряжения uвых четырёхполюсника при подключении его к клеммам с напряжением u4(t) в момент времени t = (2kp - Yu3)/w с учетом запаса энергии в реактивных элементах схемы от предыдущего режима работы (п. 2.2) на интервале t [0+, T  ], где T - период изменения напряжения u4,

4. Расчет установившихся значений напряжений и токов в четырехполюснике при несинусоидальном входном воздействии

4.1. Рассчитать законы изменения тока iвх(t) и напряжения uвых(t) частотным методом, представив напряжение uвх(t) = u4(t) в виде ряда Фурье до 5-й гармоники:

uвх(t) = S (4 U m / kp) sin kwt, где k – целое нечетное число. 

4.2. Построить графики uвх(t) = u4(t), uвх(t), iвх(t), uвых(t) в одном масштабе времени один под другим, где uвх(t), iвх(t),и uвых(t) - суммарные мгновенные значения.

4.3. Определить действующие значения uвх(t), iвх(t), uвых(t), а также активную мощность, потребляемую четырехполюсником,  и коэффициенты искажения iвх(t), uвых(t).

4.4. Заменить несинусоидальные кривые uвх(t), iвх(t) эквивалентными синусоидами и построить их графики.

4.5. Рассчитать  операторным методом и построить  качественно функцию изменения напряжения uвых(t) при подключении четырехполюсника к клеммам с синусоидальным напряжением u3(t) с учетом запаса энергии в реактивных элементах цепи в момент коммутации, который можно определить из расчетов пп. 3.1, 3.2 и в крайнем случае приближенно из п.4.Выражение для установившегося значения uвых(t) сравнить с выражением uвых(t) в п 2.2., сделать выводы.

5. Оформление расчетно-пояснительной записки

Расчетно-пояснительная  записка должна содержать:

1. Техническое  задание.

2. Содержательную  часть, включающую расчетную часть,  текстовое пояснение и рисунки  схем и графиков. Рисунки должны  быть пронумерованы и следовать в тексте сразу после ссылки на них.

3. Выводы по  выполненной работе.

4. Список литературы, использованной в работе.

5. Оглавление  с указанием страниц выполненных  пунктов и подпунктов работы.

 

1. Расчет источника гармонических колебаний.

1.1 Метод Эквивалентного генератора. 
Комплексные значения сопротивлений (см. рис1):

J1 = -j;

E2 = -100+200j;


E6 = 50j;

Z1=R1 = 100;

Z2 = jωL2 = 100j;

Z3 = -j/ωC3 = -100j;

Z4 = R4 = 100;

Z5 = -j/ωC5+ jωL5 =  
        = -200j+300j=100j;

Z6 = jωL6 = 50j; 

                                     Рис 1. Исходная схема двухполюсника

 

Найдём значение Uxx (см. рис2.): 
Методом КТ найдем I`2 и I`6  
I11=- J1;

-J1 (Z6 +Z3) + I22 (Z6+Z3+Z4+Z2) =0;

I22 = (-3-11j)/5;

I`2= (3+11j)/5;    

I`6= (3+6j)/5;     

по второму закону Кирхгофа:                                                                

рис2. Расчет эквивалентного ЭДС

- E2-E6= - I`2 Z2- I`6 Z6 - Uxx;

Uxx=160j+180;


Найдем входное сопротивление  цепи относительно L5 (см. рис3.):

Zвх= (Z3+Z4)(Z2+Z6) / (Z3+Z4+Z2+Z6) = 60j+180; 
I5=Uхх/(Zвх+Z5)=1;    
i5(t)=1.4sin(1000t+0);

U5=I5 Z5L=300j;          
u5(t)=420sin(1000t+π/2);

                                                  Рис 3. Схема для нахождения входного сопротивления

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Мгновенные значения тока и напряжения на первичной обмотке трансформатора и  их волновые диаграммы.





Рис 4. Волновая диаграмма тока первичной обмотки трансформатора





Рис 5. Волновая диаграмма напряжения первичной обмотки трансформатора

 

 

 

 

1.3. Определение магнитных связей.


 

U1=5B;

 

 

 

 

U2=10B;

 

           Рис7. Схема воздушного трансформатора

Для катушки L8:

       0=U1 – I5jωM58;

       M58=U1/I5ω=5 мГн;

       U1=I5jωM58=5j

u1 (t) = 5(2)1/2 sin(1000t+π/2);

       k58=M58/(L5*L8)1/2;   L8=M258/k582 L5 =  | k58=0,7 | = 0,17 мГн;

 

Для катушки L9:

0=U2 + I5jωM59;

M59=U2/I5ω=10 мГн;

U2=-I5jωM59=-10j

u2 (t) = 10(2)1/2 sin(1000t-π/2);

k59=M59/ (L5*L9)1/2;   L9=M259/ k592 L5 = | k59=0,7 | = 0,68 мГн;

 

2. Расчет и анализ четырехполюсника.


 

R1=80 Ом;

R2=10 Ом;

R3=10 Ом;

Xс=4 Ом; С=250 мкФ;                                                       рис8. Схема четырехполюсника

       


Uвх = 5j;

Iвх=Uвх/Zвх ;

Zвх=R1+ (R2 + R3)jXС / (R2 + R3 + jXC) = 80,769-3,86j;

Iвх=Uвх / Zвх = -2,941 – 0,068j;

I1= IвхR1 - Uвх / jXC =-0,015 +0,059j;

I2= (Uвх - IвхR1) / (R2 +R3) = 0,012 +2,941j10-3;

Uab = IвхR1=-0,235+4,941j;                      Ubc = I2R2 = 0,118+ 0,029j;

Ucd = I2R3 = 0,118+0,029j;                       Ube = I2 (- jXC) = 0,235+ 0,059j;

Для проверки правильности расчета построим векторные диаграммы напряжений ( см. рис9.) и токов ( см. рис10.)

uвх(t) = 7,07sin(1000t+90o);

uвых(t) = 0,171sin(1000t+14o);

iвх(t) = 0,087sin(1000t+90o);

Uвх = 5 В;                         Uвых = 0,122 В;                  W1000 = Uвых / Uвх = 0,024;

φвх = 14о;                          φвых = 90о;                              Δφ = -76о;

               

                     2.1 Векторные диаграммы токов и напряжений.

                          рис9. Векторная диаграмма напряжений

                              рис10. Векторная диаграмма токов

 

2.2 Резонансные явления в четырехполюснике.

Для получения  резонанса напряжений необходимо подключить к выходным зажимам четырехполюсника индуктивный элемент ХL; рассмотрим соединение этого элемента с R2 и R3 (см рис11.):

                       Рис11. Схема для получения резонанса напряжений


 


 



 



 
 
   Резонас блокируется, катушку надо подключить к входным зажимам.

Тогда создадим резонанс токов (см. рис12.):

                           Рис12. Схема для получения резонанса токов













 







 

 

Добротность колебательного контура:

Q = YL / Yвх = 0,05

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                              2.3 Передаточные функции.


 

 

 

 

 

 

 
 
 
рис13. Схема для определения передаточных функций




 

 







 





 
 
 
Выразим I1 из каждого уравнения и приравняем их.  



 
 

 

 

 



 

 










 

 

 

Отсюда получим:



Амплитудо-частотную  характеристику (также см. рис14):

 

 

  1. Фазо-частотную характеристику (также см. рис15):

         




 

 

Найдем Uвых при заданных Uвх, ω и найденном W(ω):





 




значение Uвых согласуется со значением в пункте 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3(а) Амплитудо- и фазо-частотные характеристики.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис14. Амплитудо-частотная характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис15. Фазо-частотная характеристика

 

                                              2.3(б) Годограф.





                                            рис16.Годограф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                             2.4 Переходная и импульсная характеристики.

 

R1 = 80 Ом;

R2 = 10 Ом;

R3 = 10 Ом;

L = 250 мГн;

рис16. Схема для расчета переходной характеристики

Подготовка  схемы, определение начальных условий (см рис.17):

 

IС(0-) = iС(0+) = 0 А;

 

рис17. схема «до коммутации»

 

Составление характеристического  уравнения и определение его  корней (см рис.18):

Z(p) = 1/Cp+R1(R2+ +R3)/ (R1+R2+ +R3)=0;

p = -250 1/с ;

рис18. схема для определения характеристического уравнения и его корней

 

 

 

 Вынужденный режим:

iвын = 1/R1+R2+R3 = 0,01 A;

uCвын = 1-iвынR1=0,2 В;

 

uC(t) = uCвын + Аеpt;     при t = 0-      0 = 0,2 + A;       A = - 0,2;

uC(t) = 0,2 -0,2 e-250t;

iC = C duc/dt; 
iC = 0,00125e-250t

   i2(t) = iвын + B еpt;  при t = 0+       0 = 0.01 + B;      B = -0,01;

   i2(t) = 0,01-001e-250t
  

   uвых(t) = i2(t) R3 = 0,1 - 0,1 e-250t;

   iвх(t) = iC(t) + i2(t) = 0,01 – 0,00875 e-250t;

 

Отсюда получим:

hi(t) = iвх(t) / 1В = 0,01 – 0,00875 e-250t   См;     (см. рис19.)

ki(t) = 0,00125δ(t) + 2,1875 e-250t   Cм/с;         (см. рис20.)

 

hu(t) = uвых(t) / 1В = 0,1 - 0,1 e-250t  б/р;            (см. рис21.)

ku(t) = 25 e-250t 1/c;                                            (см. рис22.)

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

рис19. Переходная характеристика по току

 

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис20. Импульсная характеристика по току

 

 

 

 

 

 

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис21. Переходная характеристика по напряжению

 


 

 

 

 

 

 

 

 

                          рис22. Импульсная характеристика по напряжению

 

 

 

 

Покажем связь  между переходной характеристикой  и передаточной функцией:











 


 





 

 

 

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                3. Расчет переходных процессов классическим методом

3.1 Расчет входного тока и напряжения четырехполюсника при подключении его к леммам с напряжением u4(t) в момент времени      t=(2kπ-ψu3)/ω.

 

 

 

 

 

 

рис23. Схема для расчета переходных процессов

  1. Определение времени коммутации: 
    из заданного условия u3(t) = 0 находим  
    0 = 7,07sin(1000t0 + π/2);  
    1000t0 + π/2 = 0; 
    t0 =  -π /2*1000 = -0,00157 c ;
  2. Определение начальных условий: 
    при заданных 
    UC = 0,235 – 0,059j;            uC(t) = 0,34sin(1000t + 14o); 
    Iвх = 0,002941 – 0,062j;       iвх(t) = 0,062sin(1000t + 90o); 
                                                   u3(t) = 7,07sin(1000t + π/2); 
    определим независимые начальные условия: 
    uc(t0) = 0,34sin(-90o + 14o) = -0,33 В; 
    Теперь начало расчёта примем за ноль (t0 = 0); 
    uС(t0-) = uС(t0+) = - 0,33 В. 
    определим зависимые начальные условия из системы: 
     
    i1(t) + i2(t) = iвх(t) 
    0 = iвх(t)R1 + i2(t)R2 + i2(t)R3 – u4(t) 
    0 = -i2(t) (R2 + R3) + uC(t) 
     
    uC(t) – i2(t)(R2 + R3) = 0; 
    i2(t) = uC(t) / (R2 +R3 ) = - 0,0165 A; 
    iвх(t)R1+i2(t)(R2+R3)-u4(t) = 0;

iвх(t)= (-i2(t)(R2+R3)+u4(t)) /R1=0,13 А; 
i1(t)= iвх(t)- i2(t)=0,1465 А;

  1. Рассмотрим первый полупериод (0+ ≤ t ≤ T/2-)   u4 = 10 В; 
    iвх(0+) = 0,13 A; 
    i1(0+)=iC(0+) = 0,1465 A; 
    i2(0+) = -0,0165 А; 
    uС(0+)=uС(0+) = - 0,33 В; 
    uвых (0+) = i2(0+)R3 = - 0,165 B; 
     
    iвх(t) = iвхвын + A e-250t;             iвхвын = u4 / (R1+R2 + R3) = 0,1 A; 
             при t = 0                            iвх(0) = iвхвын + A e0;   A = 0,03; 
    iвх(t) = 2 + 0,3 e-250t
     
    uC(t) = uCвын + В e-250t;             uCвын = iвхвын (R2+R3) = 2 В; 
             при t = 0                          uC(0) = uCвын + В e0;   В = - 2,33; 
    uC(t) = 2 - 2,33 e-250t
     
    uвых(t) = Uвыхвын + С e-250t;             uвыхвын = iвхвын R3= 1 А; 
             при t = 0                            uвых (0) = uвыхвын + С e0;   С = - 1,165; 
    uвых (t) = 1 – 1,165 e-250t;
  2. Рассмотрим второй полупериод (T/2+ ≤ t ≤ T-)   u4 = -10 В; 
    T=000628 c; 
    uС(T/2-) = uС(T/2-) =2 – 2,33 e-250T/2 = 0,94 В; 
     
    Из системы 
     
    i1(t) + iL(t) = iвх(t) 
    0 = iвх(t)R1 + i2(t)R2 + i2(t)R3 – u4(t) 
    0 = -i2(t) (R2 + R3) + uC(t) 
     
    Находим  iвх(T/2+) = - 0,14 A; 
                      i2(T/2+) =  0,047 A; 
                      i1(T/2+) = - 0,187 A 
                      uвых(T/2+) = 0,47 В; 
                       
    iвх(t) = iвхвын + D e-250( t  - T/2);    iвхвын = u4 / (R1+R2 + R3) = - 0,1 A; 
            при t = 0                            iвх(T/2+) = iвхвын + De0;   D = - 0,04; 
    iвх(t) = - 0,1 - 0,04 e-250( t  - T/2)
     
     
    uC(t) = uCвын + E e-250( t  - T/2)
                                           uCвын = iвхвын (R2+R3) = - 2 В; 
             при t = 0                            uC (T/2+) = uC вын + E e0;   E = 2,94; 
    uC (t) = -2 + 2,94 e-250( t  - T/2)
     
    uвых(t) = Uвыхвын + F e-250( t  - T/2);             uвыхвын = iвхвын R3= -1В; 
             при t = 0                            uвых (T/2+) = uвыхвын + Fe0;   F= 1,47; 
    uвых(t) = -2 + 2,94 e-250( t  - T/2)
  3. Окончательно имеем 
    на первом интервале:  iвх(t) = 2 + 0,3 e-250t;

                                                    uC(t) = 2 - 2,33 e-250t;

                                                    uвых (t) = 1 – 1,165 e-250t
              
             на втором интервале:   iвх(t) = - 0,1 - 0,04 e-250( t  - T/2);

                                                    uC (t) = -2 + 2,94 e-250( t  - T/2);

                                                    uвых(t) = -2 + 2,94 e-250( t  - T/2);

Построим графики iвх(t), uC (t), uвых(t):

 

 

 

 

 

 

 

 




 

           рис24. графическая зависимость напряжения на конденсаторе от времени

 

         

 

 

 

 

 

 

рис25. графическая зависимость входного тока от времени


 

 

 

 

 

 

 

рис26. графическая зависимость выходного напряжения от времени

 

3.2 Расчет квазиустановившегося  режима методом припасовывания.

Будем считать, что в цепи наступил квазиустановившейся  период.

Рассмотрим  поведение схемы на двух интервалах:

  1. Первый интервал (0+ ≤ t ≤ T/2-)   u4 = 10 В; 
    uC1(t) = uCвын1 + G e-250t;                                                    (1) 
    uCвын1 = 2 В;
  2. Второй интервал (T/2+ ≤ t ≤ T-)   u4 = - 10 В; 
    uC2(t) = uCвын2 + K e-250( t - T/2);                                            (2) 
    uCвын2 = - 2 В;

Согласно законам  коммутации:

uС1(0+) = uC2(T-);

UC2(T/2+) = uC1(T/2-);

Отсюда, используя (1) и (2), получаем:

G + 2 = K e-250 T/2 – 2;

K – 2 = G e-250 T/2 + 2;

Решая эту систему  находим K = -2,75;  G = 2,75; Подставим в (1) и (2):

uC1(t) = 2 – 2,75 e-250t;

uC2(t) = -2 + 2,75 e-250( t - T/2);  

С учётом,того что iC(t)=C duC(t)/dt=i1 , получаем

i11(t) = 0,17 e-250t;

i12(t) = -0,17 e-250( t - T/2);  

      i21(t) = uC1(t)/( R2+R3) = 0,1 – 0,14 e-250t;

      i22(t) = uC2(t)/ ( R2+R3)  = - 0,1 + 0,14 e-250( t - T/2);  

uвых(t) = i2(t) R3 = 1- 1,4 e-250t ;

uвых(t) = i2(t) / R3 = -1+1,4 e-250( t - T/2) ;

 iвх1(t) = i11(t) + i12(t) = 0,1+0,3 e-250t ;

 iвх2(t) = iL2(t) + iR12(t) = -0,1-0,3 e-250t ;

 

Построим графики  входного тока, выходного напряжения и тока на конденсаторе и напряжения на конденсаторе:


 

 

 

 

 

 

 

 

рис27. Графическая зависимость напряжения на конденсаторе от времени в квазиустановившемся режиме

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

рис28. Графическая зависимость выходногонапряжения от времени в квазиустановившемся режиме

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

рис29. Графическая зависимость входного тока от времени в квазиустановившемся режиме

 


 

 

 

 

 

 

 

 

рис30. Графическая зависимость тока на конденсаторе от времени в   квазиустановившемся режиме

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет установившихся значений напряжений и токов в четырехполюснике при несинусоидальных воздействиях

4.1 Рассчитать законы изменения входного тока и выходного напряжения частотным методом.

 

Входное напряжение после  переключения имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис31. Графическая зависимость несинусоидального входного напряжения от времени

По условию  ограничиваемся 5 нечетными гармониками:

 

Первая гармоника:











































 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Третья гармоника:


































 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пятая гармоника:






















Анализ установившихся и переходных режимов в линейных электрических цепях