SlideShare a Scribd company logo
1 of 12
Download to read offline
ЛЕКЦІЯ №5 (ТЕМА№4): Перехідні процеси в електричних колах
Перехідні процеси в лінійних електричних колах
4.1. Основні поняття про перехідні процеси, закони комутації
4.2. Перехідні процеси при комутації реальної котушки в мережі постійного струму
4.3. Перехідні процеси при комутації котушки в мережі синусоїдного струму
4.4. Перехідні процеси у колі з ємнісним елементом
4.5. Розряд конденсатора на реальну котушку
4.6. Приклади чисельного розрахунку перехідних процесів у найпростіших електричних
колах
4.6.1. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації реальної
котушки до джерела постійного струму,
4.6.2.. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації кола з
конденсатором до джерела постійного струму.
4.7. Питання для самоперевірки за розділом “Перехідні процеси в лінійних електричних
колах”
Перехідні процеси в лінійних електричних колах
Знання та розуміння перехідних процесів, які відбуваються в електричних колах, є
необхідним для інженера будь-якої спеціальності, оскільки робота багатьох видів
електротехнічного обладнання і майже всіх засобів електроніки, зокрема ЕОМ, базується саме
на перехідних процесах.
4.1. Основні поняття про перехідні процеси, закони комутації
До цих пір розглядалися електричні кола при стаціонарних режимах роботи, тобто коли
при заданій і незмінній у часі структурі кола закони зміни струму і напруги всього кола і на
окремих його ділянках визначалися виключно параметрами зовнішнього джерела енергії. Так,
у разі живлення кола від джерела постійної напруги струм і спад напруги у вітках кола вважали
незмінними у часі, а при живленні від джерела синусоїдної напруги вважали, що вони
змінюються за синусоїдним законом.
Разом з тим, при переході кола від одного усталеного режиму до іншого, внаслідок
вмикання чи вимикання кола від джерела, зміни структури кола, виникнення аварійних
режимів, тощо. Іншими словами внаслідок комутації (від латинського сommutatio – зміна) у
колі мають місце перехідні процеси.
Коли до джерела постійної або синусоїдної напруги вмикають електричне коло, яке
містить тільки активні елементи, то в колі миттєво встановлюється режим, який
характеризується параметрами джерела і власними параметрами кола. При вимиканні такого
кола від джерела струм стрибкоподібно зменшується до нуля.
Інакше відбувається у колах, які містять реактивні (індуктивні або ємнісні) елементи.
Внаслідок того, що збільшенню струму в котушці перешкоджає ЕРС самоіндукції (eL = 
Ldi/dt), а заряду конденсатора – поле електричних зарядів на обкладинках конденсатора, то
накопичення енергій магнітного поля в котушці (Wм = Li2
/2) і електричного поля в конденсаторі
(We = Cu2
/2) потребують певного часу. За цих же обставин зміни магнітного і електричного
полів у L та C елементах не можуть відбуватися миттєво.
Зазначені вище положення сформульовані у вигляді двох законів (правил) комутації:
1. При комутації кола з індуктивним елементом струм індуктивності безпосередньо після
комутації iL(0)+ дорівнює струму безпосередньо до комутації iL(0):
  )0()0( LL ii .
Інакше кажучи, при комутації кола з індуктивним елементом струм індуктивності від одного
усталеного значення до іншого змінюється плавно і безперервно.
2. При комутації кола з ємнісним елементом, напруга на ємності
безпосередньо після комутації uC(0)+ дорівнює струму безпосередньо до комутації uC(0):
  )0()0( CC uu .
Інакше кажучи, при комутації кола з ємнісним елементом, напруга на ємності від одного
усталеного значення до іншого змінюється плавно і безперервно.
Оскільки залежно від умов комутації час зміни енергій в реактивних елементах може
становити від часток секунди до декількох секунд, то L і C елементи вважають інерційними.
Процеси, які виникають у електричних колах з реактивними елементами, внаслідок
комутації кіл і тривають протягом певного часу, необхідного для переходу кола від одного
усталеного режиму до іншого, називають перехідними процесами.
Відповідні зміни струму і напруги на окремих ділянках кола з L і C елементами протягом
перехідного процесу називають перехідним струмом і перехідною напругою.
У загальному випадку аналіз перехідних процесів в лінійних електричних колах зводиться
до рішення диференціальних рівнянь, які складають за законами Кірхгофа. Незалежними
початковими умовами при цьому є значення струму в індуктивності і напруги на ємності у
момент комутації, тобто при t = 0.
4.2. Перехідні процеси при комутації реальної котушки у колі постійного
струму
Реальна котушка є однією з основних складових багатьох видів електротехнічного
обладнання. Її аналогом є обмотки трансформатора, електричних двигунів і генераторів,
різноманітних електромагнітних реле і контакторів, тощо. Але заради справедливості потрібно
зауважити, що у більшості конструкції електротехнічного обладнання використовують
котушку зі стальним осердям. Далі ми покажемо, що котушка зі стальним осердям є нелінійним
елементом і для того, щоб математично описати перехідні процеси, які мають місце у такому
елементі, потрібні більш складні рівняння, ніж для опису процесів у лінійному елементі –
котушки без осердя.
Вмикання реальної котушки з параметрами R і L на постійну напругу U (рис. 1.56, а)
супроводжується виникненням у котушці ЕРС самоіндукції eL, яка впливає на величину і
характер зміни струму індуктивності.
i
iв
0 t
a б
2 3 4 5
i
-I
iy =I
u
R
uL
+
–
it
uR
eL
Рис. 1.56. Вмикання кола з індуктивністю на постійну напругу (а) та графіки струмів
перехідного процесу (б).
Для цього випадку комутації за законом Кірхгофа маємо:
0 Uuu LR .
Звідси, оскільки: uR = Ri, uL = eL = Ldi/dt одержимо диференційне рівняння:
RidtLdiU  / .
рішення якого відносно миттєвого значення струму має вигляд:

 /t
kei ,
де k – постійна інтегрування, t – час,  = L/r – постійна часу кола з індуктивністю.
На початок комутації струм у колі котушки дорівнює нулю. Отже при t = 0, i = 0
одержуємо:
RUk / .
Рішення диференціального рівняння відносно струму перехідного процесу записують
таким чином:
вy
/
)/()/( iieRURUi t
 
.
З аналізу цього рішення випливає, що при вмикання реальної котушки у мережу з
постійною напругою U, перехідний струм являє собою суму деякої постійної величини –
усталеного струму iу = U/R, і змінної величини – вільного струму iв = (U/R)e-t/. Протягом
перехідного процесу струм і кола збільшується за експонентою і в кінцевому разі досягає
значення усталеного струму іу (рис. 1.56, б). При цьому час перехідного процесу (час
досягнення iу) визначається параметрами кола – величинами r і L.
З рис. 1.56, б видно, що постійну часу  перехідного процесу, який виникає при вмиканні
реальної котушки у мережу постійного струму можна визначити так:
tgα/I ,
де  – кут нахилу дотичної до осі t.
Величина  характеризує час, за який перехідний струм досягає 0,632 від значення
усталеного струму. Значення  відносно невелике і для котушок без осердя становить від
тисячних до десятих часток секунди.
Вимикання котушки з великою індуктивністю від мережі (джерела) постійного струму
(рис. 1.57.) може супроводжуватися підвищенням напруги на окремих ділянках кола, тобто
перенапругою. Оскільки перенапруга може визвати пробій ізоляції і навіть електричну дугу,
то для її обмеження, разом з вимиканням котушки від джерела котушку автоматично шунтують
розрядним резистором Rp.
В результаті такої комутації утворюється одноконтурне коло (див. рис. 1.57, а), для якого,
згідно з законом Кірхгофа, можна записати рівняння:
0)()/( p  iRRdtdiL .
u
R
L
+
–
i
a б
0 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' t
I
i
'
Rp =0
Rp >0
Rp
i
t
t i
Рис. 1.57. Вимикання кола з індуктивністю від джерела постійної напруги (а) та графіки
струмів перехідного процесу (б).
Після інтегрування і рішення цього рівняння відносно перехідного струму отримуємо:
'
/
р )]/([ 
 t
eRRUi ,
де  = L/(R + Rр) – постійна часу перехідного процесу при відключенні котушки від джерела.
З аналізу рішення випливає, що після вимикання від джерела з напругою U і шунтування
котушки резистором Rр струм в колі зменшується за експонентою. Причому, чим більший опір
має розрядний резистор, тим менша постійна часу  і, отже, тривалість перехідного процесу
(рис. 1.57, б).
В момент комутації, при t = 0, напруга на котушці дорівнює напрузі джерела, а ЕРС
самоіндукції котушки має максимальне значення. Отже, за другим законом Кірхгофа маємо:
URReLmax )/1( p .
За результатами аналізу цього рівняння можна зробити такі висновки:
1. При наявності шунтуючого резистора ЕРС самоіндукції перебільшує напругу джерела в
(R + Rр)/R разів.
2. При вимиканні котушки від джерела без замикання на розрядний резистор, що
рівносильно замиканню котушки на безмежно великий опір (Rр  ), ЕРС самоіндукції у
нескінченне число разів може перебільшувати напругу джерела.
Відношення n = Rp/R прийнято називати коефіцієнтом перенапруги. На практиці, величину
розрядного резистора котушки вибирають керуючись умовою n = 4–8.
4.3. Перехідні процеси при комутації реальної котушки у колі синусоїдного
струму
По суті, перехідні процеси, які мають місце при комутації реальної котушки у колі
синусоїдного струму, такі ж як і у колі постійного струму. Разом з тим, вони мають певні
особливості.
Так, при вмиканні котушки в мережу (до джерела) змінного синусоїдного струму (рис.
1.58, а) з напругою –
)sin( um tUu  ,
в колі встановлюється струм:
 )sin()/(y um tZUi ,
 )sin(])(/[ 22
um tLrU ,
)sin(  um tI ,
який відстає по фазі від напруги на кут  = arctg(L/r).
iy
i
iв
-I0
0
I0
i
t
u
R
L
i
a б в
t
-Im
0
i
iy
iiв
imax
Im
-T/4 T/2
t
+
–
Рис. 1.58. Вмикання реальної котушки у мережу синусоїдного струму (а) та графіки струмів
перехідних процесів при u   < 90 (б) і при u   = 90 (в).
Рішення диференціального рівняння, складеного для кола з котушкою на підставі другого
закону Кірхгофа –
ridtdiLu  )/( ,
має такий же вигляд, що й у випадку вмикання котушки на постійну напругу –
ву iii  .
Закон зміни вільного струму, який визначається параметрами кола r, L та напругою U
джерела в момент включення, буде такий же, як і в колі постійного струму:

 /t
kei .
Звідси рівняння перехідного струму буде:

 /
)sin( t
um ketIi .
В момент комутації, при t = 0, i = 0, коли –
0)sin( IIk um  ,
рівняння вільного струму приймає вигляд:
000.в )sin()/( IZUIki umt  .
Звідси випливає, що у початковий момент вільний і усталений струми дорівнюють один
одному за модулем, але знаходяться у протилежних фазах, тому струм котушки на момент її
вмикання у мережу змінного струму дорівнює нулю (рис. 1.58, б).
З урахуванням викладеного рівняння перехідного струму запишемо так:

 /
0)sin( t
um eItIi .
З результатів аналізу цього рівняння випливають такі висновки:
1. При вмиканні котушки у мережу в момент коли u–  = 0 вільний струм не виникає і у
колі відразу починає діяти усталений струм. Тобто перехідний процес не виникає.
2. При вмиканні котушки у мережу в момент, коли u–  = 90, перехідний струм має
максимальне значення imax (рис. 4.32, в) і, приблизно через половину періоду після здійснення
комутації майже удвічі перебільшує значення усталеного струму. Це і призводить до
перевантаження котушки, але на дуже короткий проміжок часу.
Вимикання котушки від мережі (джерела) синусоїдного струму, як і від мережі постійного
струму, також може супроводжуватися підвищенням напруги на котушці. Відбувається це
внаслідок дії ЕРС самоіндукції котушки, яка стримує зменшення струму.
У початковий момент, при t = 0, струм котушки дорівнює усталеному струму кола і
описується рівнянням:
)sin(0  umt Ii .
З результатів аналізу цього рівняння випливає, що при здійсненні комутації у момент, коли
u –  = 90, перехідний струм має максимальне значення. Далі, протягом перехідного процесу,
його амплітуда зменшується до нуля за експоненціальним законом.
Для обмеження перенапруги внаслідок здійснення комутації реальної котушки у мережі з
великими значеннями змінного струму, і особливо з високою напругою, використовують
апаратуру зі спеціальними пристроями для погашення електричної дуги – контактори, масляні
та повітряні вимикачі, тощо.
4.4. Перехідні процеси у колі з ємністю
На практиці коло, яке має виключно ємнісний опір, як таке не існує. Це хоча б тому, що
ємність доводиться з’єднувати з іншими елементами кола і джерелом проводами, які все ж таки
мають активний опір, хоча і дуже малий. Тому, з практичної точки зору, має сенс розглянути
перехідні процеси у колі, яке містить резистор, з опором R і конденсатор, з ємністю C.
При вмиканні такого кола (рис. 1.59, а) у мережу постійного струму з напругою U
відбувається заряд конденсатора. Цей процес характеризується накопичуванням зарядів q на
обкладинках конденсатора з одночасним збільшенням напруги uC на ньому.
a б
0 2 3 4 t
uc ,ic
iС
U
uС
U
U/R
R
uС
uR
iС
t=0
+
–
–
+
C
SA
Рис. 1.59. Схема заряду-розряду (а) та графіки зміни напруги і струму при заряді (б)
конденсатора.
Рівняння зарядного струму конденсатора, обумовленого струмами зміщення, може бути
записано так:
dtCdudtdqi СС //  ,
або ж за законом Ома –
RuUi СС /)(  .
Звідси одержуємо диференційне рівняння –
UudtRCdu СС / ,
рішення якого має вигляд:
вy
/
uUUeUu t
С  
,
де  = RC – постійна часу кола.
З аналізу рішення диференційного рівняння випливає, що при комутації ємнісного
елемента у мережі з постійною напругою U, перехідна напруга на елементі являє собою суму
постійної величини – усталеної напруги Uу = U = const, і змінної величини – вільної напруги uв
= – Uet/. Протягом перехідного процесу напруга на конденсаторі збільшується за
експонентою і в кінцевому рахунку, при t  , досягає значення U. На практиці, як правило,
процес зарядження конденсатора вважають закінченим вже при t = (4 – 5) .
На рис. 1.59, б показано, як змінються напруга uC і струм iC –

 /
)/( t
С eRUi ,
в ємності, протягом перехідного періоду. На цьому ж рисунку показано, що для визначення
графічним шляхом постійної часу  кола, потрібно через початок координат провести дотичну
до кривої uC = f(t). Координата по вісі абсцис точки перетину дотичної з прямою uC = U буде
відповідати постійній часу кола.
Якщо заряджений конденсатор відключити від джерела, напруга на його затискачах
протягом певного часу залишається на рівні напруги джерела. Отже, тепер сам конденсатор
може виступати у ролі джерела електричної енергії. Слід зазначити, що заряджений
конденсатор є небезпечним для окремих електротехнічних пристроїв і, у першу чергу, для
людини. При підключенні такого конденсатора до затискачів зовнішнього кола у це коло
надходить потужний імпульс енергії. Для запобігання цьому, після відключення конденсатора
від мережі, його замикають на розрядний резистор (рис. 1.59, а).
Розрядний струм, у порівнянні з зарядним, має протилежний знак і може бути описаний
такими рівняннями:
RudtCdudtdqi ССС ///  .
З рішень цих рівнянь випливає, що при розряді на резистор струм кола –

 /
)/( t
С eRUi ,
і напруга на затискачах конденсатора –

 /t
С Ueu ,
протягом перехідного процесу зменшуються за експонентою.
Процеси заряду і розряду конденсатора на резистор називають релаксаційними. Їх широко
використовують для отримання пилоподібної (майже трикутної форми) форми кривої напруги,
яка необхідна для керування променем електронно-променевої трубки телевізорів, моніторів
комп’ютерів, осцилографів, тощо.
4.5. Розряд конденсатора на реальну котушку
Раніше було показано, що для підвищення cos кіл, які мають активно-індуктивний
характер навантаження, паралельно до реальної котушки вмикають ємність (рис. 1.60, а). Після
вимикання такого кола від мережі одержуємо контур з послідовним з’єднанням елементів (рис.
1.60, б), у якому під дією напруги конденсатора ємністю C і ЕРС самоіндукції котушки з
опором R і індуктивністю L, з’явиться струм i.
a б
U C
R
L
C
R
L
uС
uR
uL =eL
+
–
t=0 i
Рис. 1.60. Схеми підвищення cos реальної котушки (а) та розряду конденсатора на реальну
котушку (б).
Рівняння за другим законом Кірхгофа для цього кола можна записати так –
0 СLa uuu ,
а з урахуванням того, що спади напруги на резисторі, індуктивності і ємності дорівнюють,
відповідно:
Riua  , )/( dtdiLuL  , 

 idtCuС
1
;
у вигляді –
  
0)/( 1
idtCdtdiLRi .
В результаті диференціювання цього рівняння за часом отримуємо диференційне рівняння
другого порядку –
0)/()/)(/()/( 22
 LCidtdiLRdtid ,
загальне рішення якого має вигляд:
tptp
eAeAi 21
21  ,
де А1 і А2 – постійні інтегрування, значення яких визначаються за початковими умовами
перехідного процесу; р1 і р2 – корені характеристичного рівняння:
0)/(1/2
 LCLRpp .
Залежно від співвідношення параметрів кола R, L, C і значення коренів р1 і р2 розряд
конденсатора може мати аперіодичний (рис. 1.61, а) або затухаючий коливальний характер
(рис. 1.61, б). У колі з ідеальною котушкою, коли R = 0, тобто у коливальному контурі, розряд
конденсатора відбувається за законом не затухаючої синусоїди. Але це тільки теоретично,
оскільки на практиці таких кіл не існує. Явище незатухаючих гармонійних коливань у колах з
реальними індуктивністю та ємністю широко використовують для одержання електричних
коливань високої частоти. Ці кола працюють в резонансному режимі, а незначні втрати енергії
компенсуються джерелом.
i
0
а б
tT
0
i
t
I0
-I0
i'
i''
i
Рис. 1.61. Аперіодична (а) та коливальна (б) зміни струму при розряді конденсатора на
реальну котушку.
4.6. Приклади чисельного розрахунку перехідних процесів у найпростіших
електричних колах
4.6.1. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації
реальної котушки до джерела постійного струму
Для кола (рис. 1.62) з послідовним з’єднанням омічного опору R = 15 Ом та індуктивності
L = 0,3 Гн розрахувати струм i(t), спади напруг ur (t) та uL(t), при вмиканні кола до джерела
постійної напруги U = 150 В.
Рис. 1.62. Розрахункове коло з реальною котушкою.
Задавшись на схемі умовно додатними напрямками напруги U та струму i, визначимо
значення струму та спадів напруг на елементах кола у період до комутації t = 0–:
,0)0( i ,0)0( ru .0)0( Lu
В усталеному режимі після комутації (t = ) струм, А, і спади напруг, В, на елементах кола
будуть:
1015/150)( у  Iii ;
1501015)(  RIUu rr ;
0153,00)(  LIIxUu LLL .
За другим законом Кірхгофа складаємо диференційне рівняння, для схеми після комутації
–
)/( dtdiLRiuuU Lr 
Рішення неоднорідного диференційного рівняння відносно струму шукаємо у вигляді двох
складових –
ву iii 
Усталене значення струму вже визначено (iу =10 A). Для знаходження вільної складової
струму однорідне диференційне –
)/(0 вв dtdiLRi  ,
і, далі, його характеристичне рівняння –
LpR 0 ,
з якого маємо:
p = – (R/L).
Оскільки для рівнянь першого порядку вільну складову знаходять у вигляді експоненти –
tLRpt
eAeAi )/(
в

 ,
то загальне рішення неоднорідного диференційного рівняння відносно струму перехідного
процесу буде мати вигляд:
tLR
eARUi )/(
)/( 
 .
Враховуючи, що згідно з першим законом комутації струм до комутації (при t = 0– ) і
відразу після вмикання (при t = 0+) кола до джерела напруги не змінюється стрибкоподібно,
тобто –
0)0()0(   ii ,
з рішення рівняння i = (U/R)+Ae-(R/L)t
при t = 0+ –
ARU  )/(0 ,
одержимо значення постійної інтегрування:
)/( RUA  .
U
UR
UL
L
i R
Отже, загальне рішення неоднорідного диференційного рівняння, складеного для
розрахункового кола за другим законом Кірхгофа, може бути надано у вигляді:
)1()/()/()/( )/()/( tLRtLR
eRUeRURUi 
 .
Після підстановки чисельних значень одержимо струм –
)1(10 50t
ei 
 ,
і, далі, спади напруг на елементах кола:
ttLR
L eUedtdiLu 50)/(
150)/( 
 , )1(150 50t
R eRiu 

протягом перехідного процесу.
Характер кривих зміни струму і спадів напруг на елементах розрахункового кола протягом
перехідного процесу показаний на рис. 1.63.
Рис. 1.63. Графіки зміни струму і спадів напруг на елементах розрахункового кола протягом
перехідного процесу.
4.6.2. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації
кола з конденсатором до джерела постійного струму
Для кола, наведеного на рис. 1.64, при U = 50 В, C = 10 мкФ, R1 = R2 = 10 Ом визначити
струм перехідного процесу у вітці з конденсатором.
uL
uCC
u1
U
R1
R2
i1
iC
iC
i2
Рис. 1.64. Розрахункове коло конденсатором.
Задавшись на схемі умовно додатними напрямками напруги U і струму i та враховуючи,
що конденсатор С вже знаходиться під напругою джерела U = 50 В, запишемо значення струмів
і спадів напруг на ділянках кола у період до комутації t = 0–:
i, A
t
10
0
uR
uR, uL, B
150
0
uL
t
0)0()0()0()0( 21   Ciiii ,
0)0()0( 21   uu ,
50)0( Cu .
В усталеному режимі після комутації t =  струм (А) і спади напруг(В) на ділянках кола
будуть:
5,2)1010/(50)/()()( 2121  RRUii ,
0)( Ci ,
25105,2)/()()( 211111  RRURRiuu C .
На підставі першого і другого законів Кірхгофа запишемо систему рівнянь для схеми після
комутації:








221
2
21
iiii
Uuu
Uuu
C
C
або:










0
0
0
21
1
22
2211
C
C
iii
UdtiCiR
UiRiR
Для знаходження характеристичного рівняння, головний визначник системи прирівняємо
до нуля:
0)/()/(
111
)/(10
0
12212
21


CpRCpRRRCpR
RR
.
Оскільки за умовою задачі маємо R1 = R2 = R, то характеристичне рівняння буде:
0222
 RCpRCpR
Звідси отримуємо чисельне значення кореня р, с-1
:
46
102)101010/(2)/(2  
RCp .
Відомо, що рішення неоднорідного диференційного рівняння складається з усталеної та
вільної складових:
ву uuuС  .
Усталене значення спаду напруги на конденсаторі вже визначено раніше – uу = 25 B.
Оскільки для диференційних рівнянь першого порядку вільну складову спаду напруги на
конденсаторі у перехідному режимі uв знаходять у вигляді експоненти, то маємо:
tpt
eAeAu
4
102
в

 .
Таким чином, спад напруги на конденсаторі uC B у будь-який час перехідного режиму
буде:
t
С eAuuu
4
102
ву 25 
 .
Оскільки, у момент відразу після комутації, при t = 0+, uC(0+) = 50 В, то, отримавши з
рівняння 50 = 25+А чисельне значення постійної інтегрування, одержимо значення спаду
напруги на ділянці з конденсатором протягом перехідного режиму, В:
t
С eu
4
102
2525 
 .
Струм перехідного режиму, А –
tt
CC eedtCdui
44
1021024
5)102(251010/ 
 .
Характер кривих зміни струму і спаду напруги на ділянці кола з конденсатором протягом
перехідного процесу показаний на рис. 1.65.
Рис.1.65. Графіки зміни струму і спаду напруги на ділянці розрахункового кола з
конденсатором протягом перехідного процесу.
4.7. Питання для самоперевірки за розділом “Перехідні процеси в лінійних
електричних колах”
1. Що називають перехідним процесом?
2. Чому L та C елементи називають інерційними елементами?
3. Як формулюється перший та другий закони комутації?
4. Що називають постійною часу перехідного процесу?
5. Якими відмінностями характеризуються перехідний процес при вмиканні реальної
котушки у мережі постійного і змінного струмів?
6. Якими відмінностями характеризується перехідний процес при вимиканні реальної
котушки з мережі постійного і змінного струмів?
7. Яких потрібно вжити заходів для зменшення впливу перехідного процесу на
працездатність кола при комутації реальної котушки в мережі постійного і змінного
струмів?
8. Якими ознаками характеризується перехідний процес при вмиканні конденсатора у
мережу постійного (змінного) струму?
9. Чому заряджений конденсатор являє собою небезпеку для людини і як її запобігти?
10. Де у Вашій практичної діяльності доводилося мати справу з перехідними процесами?
0
-5
iC, A
t
50
25
0
uC, B

More Related Content

What's hot

Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena Franeta
Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena FranetaHalogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena Franeta
Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena FranetaNašaŠkola.Net
 
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensoresFundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensoresjhoel marca
 
лекція 2
лекція 2лекція 2
лекція 2cit-cit
 
Kombinovani aparati, 8.razred
Kombinovani aparati, 8.razredKombinovani aparati, 8.razred
Kombinovani aparati, 8.razredmirabk
 
сонячні батареї
сонячні батареїсонячні батареї
сонячні батареїpr1nc
 
Parni Kotlovi Predavanje 1
Parni Kotlovi Predavanje 1Parni Kotlovi Predavanje 1
Parni Kotlovi Predavanje 1masfaknis
 
лекція 15 (pdf.io)
лекція 15 (pdf.io)лекція 15 (pdf.io)
лекція 15 (pdf.io)cit-cit
 
Magnetno paljenje
Magnetno paljenjeMagnetno paljenje
Magnetno paljenjeigoriv
 
Elektricne instalacije
Elektricne instalacijeElektricne instalacije
Elektricne instalacijeigoriv
 
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-13 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1NoName520
 
ученическая презентация :трансформатори
 ученическая презентация :трансформатори ученическая презентация :трансформатори
ученическая презентация :трансформаторинаталия деревянко
 
Sistem paljenja i ubrizgavanja
Sistem paljenja i ubrizgavanjaSistem paljenja i ubrizgavanja
Sistem paljenja i ubrizgavanjaigoriv
 
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000Sujet1 si-1-centrale-mp-2000
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000Achraf Ourti
 
природні унікуми пд. америки презентація
природні унікуми пд. америки презентаціяприродні унікуми пд. америки презентація
природні унікуми пд. америки презентаціяssusere98bb2
 
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.labinskiir-33
 
лабораторна робота 4
лабораторна робота 4лабораторна робота 4
лабораторна робота 4cit-cit
 
Rezonancija_lbozicevic
Rezonancija_lbozicevicRezonancija_lbozicevic
Rezonancija_lboziceviclbozicevic
 

What's hot (20)

Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena Franeta
Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena FranetaHalogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena Franeta
Halogeni derivati ugljovodonika - Đorđe Živkovic - Jelena Franeta
 
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensoresFundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores
Fundamentos físicos y conceptos básicos sobre sensores
 
лекція 2
лекція 2лекція 2
лекція 2
 
Kombinovani aparati, 8.razred
Kombinovani aparati, 8.razredKombinovani aparati, 8.razred
Kombinovani aparati, 8.razred
 
сонячні батареї
сонячні батареїсонячні батареї
сонячні батареї
 
Parni Kotlovi Predavanje 1
Parni Kotlovi Predavanje 1Parni Kotlovi Predavanje 1
Parni Kotlovi Predavanje 1
 
лекція 15 (pdf.io)
лекція 15 (pdf.io)лекція 15 (pdf.io)
лекція 15 (pdf.io)
 
Magnetno paljenje
Magnetno paljenjeMagnetno paljenje
Magnetno paljenje
 
Elektricne instalacije
Elektricne instalacijeElektricne instalacije
Elektricne instalacije
 
Električni dimer prekidači
Električni dimer prekidačiElektrični dimer prekidači
Električni dimer prekidači
 
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-13 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1
3 klas-ukrainska-mova-vashulenko-2020-1
 
ученическая презентация :трансформатори
 ученическая презентация :трансформатори ученическая презентация :трансформатори
ученическая презентация :трансформатори
 
Sistem paljenja i ubrizgavanja
Sistem paljenja i ubrizgavanjaSistem paljenja i ubrizgavanja
Sistem paljenja i ubrizgavanja
 
28 cas sastavljanje strujnih kola
28 cas sastavljanje strujnih kola28 cas sastavljanje strujnih kola
28 cas sastavljanje strujnih kola
 
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000Sujet1 si-1-centrale-mp-2000
Sujet1 si-1-centrale-mp-2000
 
природні унікуми пд. америки презентація
природні унікуми пд. америки презентаціяприродні унікуми пд. америки презентація
природні унікуми пд. америки презентація
 
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.
Сенсорні системи нюху,смаку, рівноваги, дотику.
 
Električni uređaji na motornim vozilima 444
Električni uređaji na motornim vozilima 444Električni uređaji na motornim vozilima 444
Električni uređaji na motornim vozilima 444
 
лабораторна робота 4
лабораторна робота 4лабораторна робота 4
лабораторна робота 4
 
Rezonancija_lbozicevic
Rezonancija_lbozicevicRezonancija_lbozicevic
Rezonancija_lbozicevic
 

Similar to лекція 5 (20)

лекція 8
лекція 8лекція 8
лекція 8
 
лекція 6 2
лекція 6 2лекція 6 2
лекція 6 2
 
лекція 2
лекція 2лекція 2
лекція 2
 
лабораторна робота №2
лабораторна робота №2лабораторна робота №2
лабораторна робота №2
 
лекція 1
лекція 1лекція 1
лекція 1
 
лекція 1
лекція 1лекція 1
лекція 1
 
лекція 1
лекція 1лекція 1
лекція 1
 
еп л1
еп л1еп л1
еп л1
 
еп л1
еп л1еп л1
еп л1
 
113394 (2).ppt
113394 (2).ppt113394 (2).ppt
113394 (2).ppt
 
еп л4(випр)
еп л4(випр)еп л4(випр)
еп л4(випр)
 
лекція №6
лекція №6лекція №6
лекція №6
 
еп л7(пч)
еп л7(пч)еп л7(пч)
еп л7(пч)
 
Лекция 2
Лекция 2Лекция 2
Лекция 2
 
лекція №4
лекція №4лекція №4
лекція №4
 
еп л3
еп л3еп л3
еп л3
 
л.р. 3
л.р. 3л.р. 3
л.р. 3
 
п.з. 3
п.з. 3п.з. 3
п.з. 3
 
урок 36. електричний струм у напівпровідниках
урок 36. електричний струм у напівпровідникахурок 36. електричний струм у напівпровідниках
урок 36. електричний струм у напівпровідниках
 
презентація Досліди Фарадея
презентація Досліди Фарадеяпрезентація Досліди Фарадея
презентація Досліди Фарадея
 

More from cit-cit

лекція 5
лекція 5лекція 5
лекція 5cit-cit
 
лаборатор. 10
лаборатор. 10лаборатор. 10
лаборатор. 10cit-cit
 
лекція 19
лекція 19лекція 19
лекція 19cit-cit
 
лекція 18
лекція 18лекція 18
лекція 18cit-cit
 
лекція 17
лекція 17лекція 17
лекція 17cit-cit
 
лекція 16
лекція 16лекція 16
лекція 16cit-cit
 
лекція 12
лекція 12лекція 12
лекція 12cit-cit
 
лекція 11
лекція 11лекція 11
лекція 11cit-cit
 
лекція 10
лекція 10лекція 10
лекція 10cit-cit
 
лаборатор. 15
лаборатор. 15лаборатор. 15
лаборатор. 15cit-cit
 
лаборатор. 14
лаборатор. 14лаборатор. 14
лаборатор. 14cit-cit
 
лаборатор. 13
лаборатор. 13лаборатор. 13
лаборатор. 13cit-cit
 
лаборатор. 12
лаборатор. 12лаборатор. 12
лаборатор. 12cit-cit
 
лаборатор. 11
лаборатор. 11лаборатор. 11
лаборатор. 11cit-cit
 
лаборатор. 9
лаборатор. 9лаборатор. 9
лаборатор. 9cit-cit
 
лаборатор. 8
лаборатор. 8лаборатор. 8
лаборатор. 8cit-cit
 
лаборатор. 7
лаборатор. 7лаборатор. 7
лаборатор. 7cit-cit
 
лекція 14 (pdf.io)
лекція 14 (pdf.io)лекція 14 (pdf.io)
лекція 14 (pdf.io)cit-cit
 
лекція 13 (pdf.io)
лекція 13 (pdf.io)лекція 13 (pdf.io)
лекція 13 (pdf.io)cit-cit
 
лекція 9
лекція 9лекція 9
лекція 9cit-cit
 

More from cit-cit (20)

лекція 5
лекція 5лекція 5
лекція 5
 
лаборатор. 10
лаборатор. 10лаборатор. 10
лаборатор. 10
 
лекція 19
лекція 19лекція 19
лекція 19
 
лекція 18
лекція 18лекція 18
лекція 18
 
лекція 17
лекція 17лекція 17
лекція 17
 
лекція 16
лекція 16лекція 16
лекція 16
 
лекція 12
лекція 12лекція 12
лекція 12
 
лекція 11
лекція 11лекція 11
лекція 11
 
лекція 10
лекція 10лекція 10
лекція 10
 
лаборатор. 15
лаборатор. 15лаборатор. 15
лаборатор. 15
 
лаборатор. 14
лаборатор. 14лаборатор. 14
лаборатор. 14
 
лаборатор. 13
лаборатор. 13лаборатор. 13
лаборатор. 13
 
лаборатор. 12
лаборатор. 12лаборатор. 12
лаборатор. 12
 
лаборатор. 11
лаборатор. 11лаборатор. 11
лаборатор. 11
 
лаборатор. 9
лаборатор. 9лаборатор. 9
лаборатор. 9
 
лаборатор. 8
лаборатор. 8лаборатор. 8
лаборатор. 8
 
лаборатор. 7
лаборатор. 7лаборатор. 7
лаборатор. 7
 
лекція 14 (pdf.io)
лекція 14 (pdf.io)лекція 14 (pdf.io)
лекція 14 (pdf.io)
 
лекція 13 (pdf.io)
лекція 13 (pdf.io)лекція 13 (pdf.io)
лекція 13 (pdf.io)
 
лекція 9
лекція 9лекція 9
лекція 9
 

лекція 5

  • 1. ЛЕКЦІЯ №5 (ТЕМА№4): Перехідні процеси в електричних колах Перехідні процеси в лінійних електричних колах 4.1. Основні поняття про перехідні процеси, закони комутації 4.2. Перехідні процеси при комутації реальної котушки в мережі постійного струму 4.3. Перехідні процеси при комутації котушки в мережі синусоїдного струму 4.4. Перехідні процеси у колі з ємнісним елементом 4.5. Розряд конденсатора на реальну котушку 4.6. Приклади чисельного розрахунку перехідних процесів у найпростіших електричних колах 4.6.1. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації реальної котушки до джерела постійного струму, 4.6.2.. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації кола з конденсатором до джерела постійного струму. 4.7. Питання для самоперевірки за розділом “Перехідні процеси в лінійних електричних колах” Перехідні процеси в лінійних електричних колах Знання та розуміння перехідних процесів, які відбуваються в електричних колах, є необхідним для інженера будь-якої спеціальності, оскільки робота багатьох видів електротехнічного обладнання і майже всіх засобів електроніки, зокрема ЕОМ, базується саме на перехідних процесах. 4.1. Основні поняття про перехідні процеси, закони комутації До цих пір розглядалися електричні кола при стаціонарних режимах роботи, тобто коли при заданій і незмінній у часі структурі кола закони зміни струму і напруги всього кола і на окремих його ділянках визначалися виключно параметрами зовнішнього джерела енергії. Так, у разі живлення кола від джерела постійної напруги струм і спад напруги у вітках кола вважали незмінними у часі, а при живленні від джерела синусоїдної напруги вважали, що вони змінюються за синусоїдним законом. Разом з тим, при переході кола від одного усталеного режиму до іншого, внаслідок вмикання чи вимикання кола від джерела, зміни структури кола, виникнення аварійних режимів, тощо. Іншими словами внаслідок комутації (від латинського сommutatio – зміна) у колі мають місце перехідні процеси. Коли до джерела постійної або синусоїдної напруги вмикають електричне коло, яке містить тільки активні елементи, то в колі миттєво встановлюється режим, який характеризується параметрами джерела і власними параметрами кола. При вимиканні такого кола від джерела струм стрибкоподібно зменшується до нуля. Інакше відбувається у колах, які містять реактивні (індуктивні або ємнісні) елементи. Внаслідок того, що збільшенню струму в котушці перешкоджає ЕРС самоіндукції (eL =  Ldi/dt), а заряду конденсатора – поле електричних зарядів на обкладинках конденсатора, то накопичення енергій магнітного поля в котушці (Wм = Li2 /2) і електричного поля в конденсаторі (We = Cu2 /2) потребують певного часу. За цих же обставин зміни магнітного і електричного полів у L та C елементах не можуть відбуватися миттєво. Зазначені вище положення сформульовані у вигляді двох законів (правил) комутації:
  • 2. 1. При комутації кола з індуктивним елементом струм індуктивності безпосередньо після комутації iL(0)+ дорівнює струму безпосередньо до комутації iL(0):   )0()0( LL ii . Інакше кажучи, при комутації кола з індуктивним елементом струм індуктивності від одного усталеного значення до іншого змінюється плавно і безперервно. 2. При комутації кола з ємнісним елементом, напруга на ємності безпосередньо після комутації uC(0)+ дорівнює струму безпосередньо до комутації uC(0):   )0()0( CC uu . Інакше кажучи, при комутації кола з ємнісним елементом, напруга на ємності від одного усталеного значення до іншого змінюється плавно і безперервно. Оскільки залежно від умов комутації час зміни енергій в реактивних елементах може становити від часток секунди до декількох секунд, то L і C елементи вважають інерційними. Процеси, які виникають у електричних колах з реактивними елементами, внаслідок комутації кіл і тривають протягом певного часу, необхідного для переходу кола від одного усталеного режиму до іншого, називають перехідними процесами. Відповідні зміни струму і напруги на окремих ділянках кола з L і C елементами протягом перехідного процесу називають перехідним струмом і перехідною напругою. У загальному випадку аналіз перехідних процесів в лінійних електричних колах зводиться до рішення диференціальних рівнянь, які складають за законами Кірхгофа. Незалежними початковими умовами при цьому є значення струму в індуктивності і напруги на ємності у момент комутації, тобто при t = 0. 4.2. Перехідні процеси при комутації реальної котушки у колі постійного струму Реальна котушка є однією з основних складових багатьох видів електротехнічного обладнання. Її аналогом є обмотки трансформатора, електричних двигунів і генераторів, різноманітних електромагнітних реле і контакторів, тощо. Але заради справедливості потрібно зауважити, що у більшості конструкції електротехнічного обладнання використовують котушку зі стальним осердям. Далі ми покажемо, що котушка зі стальним осердям є нелінійним елементом і для того, щоб математично описати перехідні процеси, які мають місце у такому елементі, потрібні більш складні рівняння, ніж для опису процесів у лінійному елементі – котушки без осердя. Вмикання реальної котушки з параметрами R і L на постійну напругу U (рис. 1.56, а) супроводжується виникненням у котушці ЕРС самоіндукції eL, яка впливає на величину і характер зміни струму індуктивності. i iв 0 t a б 2 3 4 5 i -I iy =I u R uL + – it uR eL
  • 3. Рис. 1.56. Вмикання кола з індуктивністю на постійну напругу (а) та графіки струмів перехідного процесу (б). Для цього випадку комутації за законом Кірхгофа маємо: 0 Uuu LR . Звідси, оскільки: uR = Ri, uL = eL = Ldi/dt одержимо диференційне рівняння: RidtLdiU  / . рішення якого відносно миттєвого значення струму має вигляд:   /t kei , де k – постійна інтегрування, t – час,  = L/r – постійна часу кола з індуктивністю. На початок комутації струм у колі котушки дорівнює нулю. Отже при t = 0, i = 0 одержуємо: RUk / . Рішення диференціального рівняння відносно струму перехідного процесу записують таким чином: вy / )/()/( iieRURUi t   . З аналізу цього рішення випливає, що при вмикання реальної котушки у мережу з постійною напругою U, перехідний струм являє собою суму деякої постійної величини – усталеного струму iу = U/R, і змінної величини – вільного струму iв = (U/R)e-t/. Протягом перехідного процесу струм і кола збільшується за експонентою і в кінцевому разі досягає значення усталеного струму іу (рис. 1.56, б). При цьому час перехідного процесу (час досягнення iу) визначається параметрами кола – величинами r і L. З рис. 1.56, б видно, що постійну часу  перехідного процесу, який виникає при вмиканні реальної котушки у мережу постійного струму можна визначити так: tgα/I , де  – кут нахилу дотичної до осі t. Величина  характеризує час, за який перехідний струм досягає 0,632 від значення усталеного струму. Значення  відносно невелике і для котушок без осердя становить від тисячних до десятих часток секунди. Вимикання котушки з великою індуктивністю від мережі (джерела) постійного струму (рис. 1.57.) може супроводжуватися підвищенням напруги на окремих ділянках кола, тобто перенапругою. Оскільки перенапруга може визвати пробій ізоляції і навіть електричну дугу, то для її обмеження, разом з вимиканням котушки від джерела котушку автоматично шунтують розрядним резистором Rp. В результаті такої комутації утворюється одноконтурне коло (див. рис. 1.57, а), для якого, згідно з законом Кірхгофа, можна записати рівняння: 0)()/( p  iRRdtdiL . u R L + – i a б 0 2 ' 3 ' 4 ' 5 ' t I i ' Rp =0 Rp >0 Rp i t t i
  • 4. Рис. 1.57. Вимикання кола з індуктивністю від джерела постійної напруги (а) та графіки струмів перехідного процесу (б). Після інтегрування і рішення цього рівняння відносно перехідного струму отримуємо: ' / р )]/([   t eRRUi , де  = L/(R + Rр) – постійна часу перехідного процесу при відключенні котушки від джерела. З аналізу рішення випливає, що після вимикання від джерела з напругою U і шунтування котушки резистором Rр струм в колі зменшується за експонентою. Причому, чим більший опір має розрядний резистор, тим менша постійна часу  і, отже, тривалість перехідного процесу (рис. 1.57, б). В момент комутації, при t = 0, напруга на котушці дорівнює напрузі джерела, а ЕРС самоіндукції котушки має максимальне значення. Отже, за другим законом Кірхгофа маємо: URReLmax )/1( p . За результатами аналізу цього рівняння можна зробити такі висновки: 1. При наявності шунтуючого резистора ЕРС самоіндукції перебільшує напругу джерела в (R + Rр)/R разів. 2. При вимиканні котушки від джерела без замикання на розрядний резистор, що рівносильно замиканню котушки на безмежно великий опір (Rр  ), ЕРС самоіндукції у нескінченне число разів може перебільшувати напругу джерела. Відношення n = Rp/R прийнято називати коефіцієнтом перенапруги. На практиці, величину розрядного резистора котушки вибирають керуючись умовою n = 4–8. 4.3. Перехідні процеси при комутації реальної котушки у колі синусоїдного струму По суті, перехідні процеси, які мають місце при комутації реальної котушки у колі синусоїдного струму, такі ж як і у колі постійного струму. Разом з тим, вони мають певні особливості. Так, при вмиканні котушки в мережу (до джерела) змінного синусоїдного струму (рис. 1.58, а) з напругою – )sin( um tUu  , в колі встановлюється струм:  )sin()/(y um tZUi ,  )sin(])(/[ 22 um tLrU , )sin(  um tI , який відстає по фазі від напруги на кут  = arctg(L/r).
  • 5. iy i iв -I0 0 I0 i t u R L i a б в t -Im 0 i iy iiв imax Im -T/4 T/2 t + – Рис. 1.58. Вмикання реальної котушки у мережу синусоїдного струму (а) та графіки струмів перехідних процесів при u   < 90 (б) і при u   = 90 (в). Рішення диференціального рівняння, складеного для кола з котушкою на підставі другого закону Кірхгофа – ridtdiLu  )/( , має такий же вигляд, що й у випадку вмикання котушки на постійну напругу – ву iii  . Закон зміни вільного струму, який визначається параметрами кола r, L та напругою U джерела в момент включення, буде такий же, як і в колі постійного струму:   /t kei . Звідси рівняння перехідного струму буде:   / )sin( t um ketIi . В момент комутації, при t = 0, i = 0, коли – 0)sin( IIk um  , рівняння вільного струму приймає вигляд: 000.в )sin()/( IZUIki umt  . Звідси випливає, що у початковий момент вільний і усталений струми дорівнюють один одному за модулем, але знаходяться у протилежних фазах, тому струм котушки на момент її вмикання у мережу змінного струму дорівнює нулю (рис. 1.58, б). З урахуванням викладеного рівняння перехідного струму запишемо так:   / 0)sin( t um eItIi . З результатів аналізу цього рівняння випливають такі висновки: 1. При вмиканні котушки у мережу в момент коли u–  = 0 вільний струм не виникає і у колі відразу починає діяти усталений струм. Тобто перехідний процес не виникає. 2. При вмиканні котушки у мережу в момент, коли u–  = 90, перехідний струм має максимальне значення imax (рис. 4.32, в) і, приблизно через половину періоду після здійснення комутації майже удвічі перебільшує значення усталеного струму. Це і призводить до перевантаження котушки, але на дуже короткий проміжок часу. Вимикання котушки від мережі (джерела) синусоїдного струму, як і від мережі постійного струму, також може супроводжуватися підвищенням напруги на котушці. Відбувається це внаслідок дії ЕРС самоіндукції котушки, яка стримує зменшення струму. У початковий момент, при t = 0, струм котушки дорівнює усталеному струму кола і описується рівнянням: )sin(0  umt Ii . З результатів аналізу цього рівняння випливає, що при здійсненні комутації у момент, коли u –  = 90, перехідний струм має максимальне значення. Далі, протягом перехідного процесу, його амплітуда зменшується до нуля за експоненціальним законом.
  • 6. Для обмеження перенапруги внаслідок здійснення комутації реальної котушки у мережі з великими значеннями змінного струму, і особливо з високою напругою, використовують апаратуру зі спеціальними пристроями для погашення електричної дуги – контактори, масляні та повітряні вимикачі, тощо. 4.4. Перехідні процеси у колі з ємністю На практиці коло, яке має виключно ємнісний опір, як таке не існує. Це хоча б тому, що ємність доводиться з’єднувати з іншими елементами кола і джерелом проводами, які все ж таки мають активний опір, хоча і дуже малий. Тому, з практичної точки зору, має сенс розглянути перехідні процеси у колі, яке містить резистор, з опором R і конденсатор, з ємністю C. При вмиканні такого кола (рис. 1.59, а) у мережу постійного струму з напругою U відбувається заряд конденсатора. Цей процес характеризується накопичуванням зарядів q на обкладинках конденсатора з одночасним збільшенням напруги uC на ньому. a б 0 2 3 4 t uc ,ic iС U uС U U/R R uС uR iС t=0 + – – + C SA Рис. 1.59. Схема заряду-розряду (а) та графіки зміни напруги і струму при заряді (б) конденсатора. Рівняння зарядного струму конденсатора, обумовленого струмами зміщення, може бути записано так: dtCdudtdqi СС //  , або ж за законом Ома – RuUi СС /)(  . Звідси одержуємо диференційне рівняння – UudtRCdu СС / , рішення якого має вигляд: вy / uUUeUu t С   , де  = RC – постійна часу кола. З аналізу рішення диференційного рівняння випливає, що при комутації ємнісного елемента у мережі з постійною напругою U, перехідна напруга на елементі являє собою суму постійної величини – усталеної напруги Uу = U = const, і змінної величини – вільної напруги uв = – Uet/. Протягом перехідного процесу напруга на конденсаторі збільшується за експонентою і в кінцевому рахунку, при t  , досягає значення U. На практиці, як правило, процес зарядження конденсатора вважають закінченим вже при t = (4 – 5) . На рис. 1.59, б показано, як змінються напруга uC і струм iC –   / )/( t С eRUi ,
  • 7. в ємності, протягом перехідного періоду. На цьому ж рисунку показано, що для визначення графічним шляхом постійної часу  кола, потрібно через початок координат провести дотичну до кривої uC = f(t). Координата по вісі абсцис точки перетину дотичної з прямою uC = U буде відповідати постійній часу кола. Якщо заряджений конденсатор відключити від джерела, напруга на його затискачах протягом певного часу залишається на рівні напруги джерела. Отже, тепер сам конденсатор може виступати у ролі джерела електричної енергії. Слід зазначити, що заряджений конденсатор є небезпечним для окремих електротехнічних пристроїв і, у першу чергу, для людини. При підключенні такого конденсатора до затискачів зовнішнього кола у це коло надходить потужний імпульс енергії. Для запобігання цьому, після відключення конденсатора від мережі, його замикають на розрядний резистор (рис. 1.59, а). Розрядний струм, у порівнянні з зарядним, має протилежний знак і може бути описаний такими рівняннями: RudtCdudtdqi ССС ///  . З рішень цих рівнянь випливає, що при розряді на резистор струм кола –   / )/( t С eRUi , і напруга на затискачах конденсатора –   /t С Ueu , протягом перехідного процесу зменшуються за експонентою. Процеси заряду і розряду конденсатора на резистор називають релаксаційними. Їх широко використовують для отримання пилоподібної (майже трикутної форми) форми кривої напруги, яка необхідна для керування променем електронно-променевої трубки телевізорів, моніторів комп’ютерів, осцилографів, тощо. 4.5. Розряд конденсатора на реальну котушку Раніше було показано, що для підвищення cos кіл, які мають активно-індуктивний характер навантаження, паралельно до реальної котушки вмикають ємність (рис. 1.60, а). Після вимикання такого кола від мережі одержуємо контур з послідовним з’єднанням елементів (рис. 1.60, б), у якому під дією напруги конденсатора ємністю C і ЕРС самоіндукції котушки з опором R і індуктивністю L, з’явиться струм i. a б U C R L C R L uС uR uL =eL + – t=0 i Рис. 1.60. Схеми підвищення cos реальної котушки (а) та розряду конденсатора на реальну котушку (б). Рівняння за другим законом Кірхгофа для цього кола можна записати так – 0 СLa uuu , а з урахуванням того, що спади напруги на резисторі, індуктивності і ємності дорівнюють, відповідно: Riua  , )/( dtdiLuL  ,    idtCuС 1 ;
  • 8. у вигляді –    0)/( 1 idtCdtdiLRi . В результаті диференціювання цього рівняння за часом отримуємо диференційне рівняння другого порядку – 0)/()/)(/()/( 22  LCidtdiLRdtid , загальне рішення якого має вигляд: tptp eAeAi 21 21  , де А1 і А2 – постійні інтегрування, значення яких визначаються за початковими умовами перехідного процесу; р1 і р2 – корені характеристичного рівняння: 0)/(1/2  LCLRpp . Залежно від співвідношення параметрів кола R, L, C і значення коренів р1 і р2 розряд конденсатора може мати аперіодичний (рис. 1.61, а) або затухаючий коливальний характер (рис. 1.61, б). У колі з ідеальною котушкою, коли R = 0, тобто у коливальному контурі, розряд конденсатора відбувається за законом не затухаючої синусоїди. Але це тільки теоретично, оскільки на практиці таких кіл не існує. Явище незатухаючих гармонійних коливань у колах з реальними індуктивністю та ємністю широко використовують для одержання електричних коливань високої частоти. Ці кола працюють в резонансному режимі, а незначні втрати енергії компенсуються джерелом. i 0 а б tT 0 i t I0 -I0 i' i'' i Рис. 1.61. Аперіодична (а) та коливальна (б) зміни струму при розряді конденсатора на реальну котушку. 4.6. Приклади чисельного розрахунку перехідних процесів у найпростіших електричних колах 4.6.1. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації реальної котушки до джерела постійного струму Для кола (рис. 1.62) з послідовним з’єднанням омічного опору R = 15 Ом та індуктивності L = 0,3 Гн розрахувати струм i(t), спади напруг ur (t) та uL(t), при вмиканні кола до джерела постійної напруги U = 150 В.
  • 9. Рис. 1.62. Розрахункове коло з реальною котушкою. Задавшись на схемі умовно додатними напрямками напруги U та струму i, визначимо значення струму та спадів напруг на елементах кола у період до комутації t = 0–: ,0)0( i ,0)0( ru .0)0( Lu В усталеному режимі після комутації (t = ) струм, А, і спади напруг, В, на елементах кола будуть: 1015/150)( у  Iii ; 1501015)(  RIUu rr ; 0153,00)(  LIIxUu LLL . За другим законом Кірхгофа складаємо диференційне рівняння, для схеми після комутації – )/( dtdiLRiuuU Lr  Рішення неоднорідного диференційного рівняння відносно струму шукаємо у вигляді двох складових – ву iii  Усталене значення струму вже визначено (iу =10 A). Для знаходження вільної складової струму однорідне диференційне – )/(0 вв dtdiLRi  , і, далі, його характеристичне рівняння – LpR 0 , з якого маємо: p = – (R/L). Оскільки для рівнянь першого порядку вільну складову знаходять у вигляді експоненти – tLRpt eAeAi )/( в   , то загальне рішення неоднорідного диференційного рівняння відносно струму перехідного процесу буде мати вигляд: tLR eARUi )/( )/(   . Враховуючи, що згідно з першим законом комутації струм до комутації (при t = 0– ) і відразу після вмикання (при t = 0+) кола до джерела напруги не змінюється стрибкоподібно, тобто – 0)0()0(   ii , з рішення рівняння i = (U/R)+Ae-(R/L)t при t = 0+ – ARU  )/(0 , одержимо значення постійної інтегрування: )/( RUA  . U UR UL L i R
  • 10. Отже, загальне рішення неоднорідного диференційного рівняння, складеного для розрахункового кола за другим законом Кірхгофа, може бути надано у вигляді: )1()/()/()/( )/()/( tLRtLR eRUeRURUi   . Після підстановки чисельних значень одержимо струм – )1(10 50t ei   , і, далі, спади напруг на елементах кола: ttLR L eUedtdiLu 50)/( 150)/(   , )1(150 50t R eRiu   протягом перехідного процесу. Характер кривих зміни струму і спадів напруг на елементах розрахункового кола протягом перехідного процесу показаний на рис. 1.63. Рис. 1.63. Графіки зміни струму і спадів напруг на елементах розрахункового кола протягом перехідного процесу. 4.6.2. Приклад чисельного розрахунку перехідного процесу при комутації кола з конденсатором до джерела постійного струму Для кола, наведеного на рис. 1.64, при U = 50 В, C = 10 мкФ, R1 = R2 = 10 Ом визначити струм перехідного процесу у вітці з конденсатором. uL uCC u1 U R1 R2 i1 iC iC i2 Рис. 1.64. Розрахункове коло конденсатором. Задавшись на схемі умовно додатними напрямками напруги U і струму i та враховуючи, що конденсатор С вже знаходиться під напругою джерела U = 50 В, запишемо значення струмів і спадів напруг на ділянках кола у період до комутації t = 0–: i, A t 10 0 uR uR, uL, B 150 0 uL t
  • 11. 0)0()0()0()0( 21   Ciiii , 0)0()0( 21   uu , 50)0( Cu . В усталеному режимі після комутації t =  струм (А) і спади напруг(В) на ділянках кола будуть: 5,2)1010/(50)/()()( 2121  RRUii , 0)( Ci , 25105,2)/()()( 211111  RRURRiuu C . На підставі першого і другого законів Кірхгофа запишемо систему рівнянь для схеми після комутації:         221 2 21 iiii Uuu Uuu C C або:           0 0 0 21 1 22 2211 C C iii UdtiCiR UiRiR Для знаходження характеристичного рівняння, головний визначник системи прирівняємо до нуля: 0)/()/( 111 )/(10 0 12212 21   CpRCpRRRCpR RR . Оскільки за умовою задачі маємо R1 = R2 = R, то характеристичне рівняння буде: 0222  RCpRCpR Звідси отримуємо чисельне значення кореня р, с-1 : 46 102)101010/(2)/(2   RCp . Відомо, що рішення неоднорідного диференційного рівняння складається з усталеної та вільної складових: ву uuuС  . Усталене значення спаду напруги на конденсаторі вже визначено раніше – uу = 25 B. Оскільки для диференційних рівнянь першого порядку вільну складову спаду напруги на конденсаторі у перехідному режимі uв знаходять у вигляді експоненти, то маємо: tpt eAeAu 4 102 в   . Таким чином, спад напруги на конденсаторі uC B у будь-який час перехідного режиму буде: t С eAuuu 4 102 ву 25   . Оскільки, у момент відразу після комутації, при t = 0+, uC(0+) = 50 В, то, отримавши з рівняння 50 = 25+А чисельне значення постійної інтегрування, одержимо значення спаду напруги на ділянці з конденсатором протягом перехідного режиму, В: t С eu 4 102 2525   .
  • 12. Струм перехідного режиму, А – tt CC eedtCdui 44 1021024 5)102(251010/   . Характер кривих зміни струму і спаду напруги на ділянці кола з конденсатором протягом перехідного процесу показаний на рис. 1.65. Рис.1.65. Графіки зміни струму і спаду напруги на ділянці розрахункового кола з конденсатором протягом перехідного процесу. 4.7. Питання для самоперевірки за розділом “Перехідні процеси в лінійних електричних колах” 1. Що називають перехідним процесом? 2. Чому L та C елементи називають інерційними елементами? 3. Як формулюється перший та другий закони комутації? 4. Що називають постійною часу перехідного процесу? 5. Якими відмінностями характеризуються перехідний процес при вмиканні реальної котушки у мережі постійного і змінного струмів? 6. Якими відмінностями характеризується перехідний процес при вимиканні реальної котушки з мережі постійного і змінного струмів? 7. Яких потрібно вжити заходів для зменшення впливу перехідного процесу на працездатність кола при комутації реальної котушки в мережі постійного і змінного струмів? 8. Якими ознаками характеризується перехідний процес при вмиканні конденсатора у мережу постійного (змінного) струму? 9. Чому заряджений конденсатор являє собою небезпеку для людини і як її запобігти? 10. Де у Вашій практичної діяльності доводилося мати справу з перехідними процесами? 0 -5 iC, A t 50 25 0 uC, B