Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами

A mathematical interpretation of transient processes in electrocircuits with distributed parameters is given. A line without losses on the idling and the short-circuit mode is considered.

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2007
Main Author: Божко, А.Е.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3135
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 69-76. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859629798457868288
author Божко, А.Е.
author_facet Божко, А.Е.
citation_txt Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 69-76. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
description A mathematical interpretation of transient processes in electrocircuits with distributed parameters is given. A line without losses on the idling and the short-circuit mode is considered.
first_indexed 2025-12-07T13:09:26Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 9 • 2007 ЕНЕРГЕТИКА УДК 621.3(0758) © 2007 Член-корреспондент НАН Украины А.Е. Божко Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами A mathematical interpretation of transient processes in electrocircuits with distributed parame- ters is given. A line without losses on the idling and the short-circuit mode is considered. Решения, представленные в данной работе, сочетают в себе анализ переходных процес- сов в электроцепях с распределенными параметрами, классические методы (в частности операционные) и теорию, относящуюся к новой концепции о переходных процессах в элект- роцепях [1, 2]. Последняя развивает классическую теорию математически и дополняет фи- зическую картину, происходящую в длинных линиях при переходных процессах в них. Схема электроцепи с распределенными параметрами изображена на рис. 1 [3], где R0 — продольное активное сопротивление единицы длины линии; L0 — индуктивность единицы длины линии; C — емкость единицы длины линии; g0 — поперечная проводимость единицы длины линии; x — расстояние, отсчитываемое от начала линии; dx — рассматриваемый участок линии; zH — сопротивление (нагрузка) в конце линии; U1 — напряжение между проводами линии; i — ток в начале рассматриваемого участка dx; ∂i/∂x dx — приращение тока на пути dx; ∂i/∂x — скорость изменения тока в направлении x; ∂U/∂x — скорость изменения напряжения в направлении x; ∂U/∂x dx — приращение напряжения на пути dx. Предположим, что параметры линии, напряжение в начале линии U = U1 и нагрузка zH известны. При решении задачи необходимо определить напряжение U(t, x) и ток i(t, x), где t — время в любой точке линии. В данном случае эти величины являются функциями времени t (от начального момента включения t = 0) и расстояния x от начала линии. Будем считать, что в момент включения (t = 0) линия не обладает электрической и магнитной энергиями, т. е. в линии нет тока i и напряжения U . А это значит, что вместо функций, зависящих от t и x (оригиналов), можно рассматривать изображения (Карсона), зависящие от p и x, где p — комплексная величина с положительной вещественной частью, достаточно большой, чтобы ϕ(p) = p ∞ ∫ 0 f(t)e−ptdt была конечной (ϕ(p) — изображение f(t)) [4]. Для более простого понимания теоретического анализа переходного процесса в линии будем рассматривать линию без потерь, т. е. случай, когда R0 и g0 значительно меньше величин ωL0 и ωC0 соответственно. Здесь ω — круговая частота (ω = 2πf , f — частота, [f ] — герц). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 69 Рис. 1 При рассмотрении электроцепей с распределенными параметрами вводятся следующие величины [3]: ν = √ z0y0 = √ (R0 + jωL0)(g0 + jωC0) = α + jβ — постоянная распростране- ния; α — коэффициент затухания (затухание волны на единицу длины линии); β — коэф- фициент фазы (изменение фазы волны на единицу длины линии); zb = z0/ν = √ z0/y0 = = √ (R0 + jωL0)/(g0 + jωC0) — волновое сопротивление, j = √ −1. Для линии синусоидального тока без потерь при zbc = √ L0/C0, для постоянного тока ω = 0 zbn = √ R0/g0. Изображения напряжения и тока в некоторой точке линии без потерь имеют вид [4] U(p) = U1(p) zH(p) ch(τ − τx) + zb sh p(τ − τx) zH(p) ch pτ + zb sh pτ ; (1) I(p) = U1(p) zb zH(p) sh p(τ − τx) + zb ch p(τ − τx) zH(p) ch pτ + zb sh pτ , (2) zH(p) — изображение Карсона полного сопротивления на конце линии (нагрузки); τ — время распространения волны со скоростью v вдоль линии длиной l (τ = l/v, v — скорость света 3·105 км/с); τx = x/v — время распространения волны вдоль участка линии длиной x; (τ − τx) — время распространения отраженной волны от конца линии до точки наблюдения в конце участка x. Рассмотрение переходных процессов в линии в данной работе ограничим режимами холостого хода (zH = ∞) и короткого замыкания (zH = 0) при включении на вход линии в момент t = 0 постоянного скачкообразного напряжения U1 = E · 1(t). С учетом новой концепции [1, 2] это напряжение может быть представлено в виде U1 · 1(t) = E(1 − e−γt) + e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt, (3) где γ — коэффициент затухания; Uak, ωk — амплитуда и круговая частота k-й гармоники; Uak = Ua1/(πωk); n ∑ k=1 Uak = E. Изображение Карсона оригинала (3) следующее: U1(p) = E γ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k . (4) 70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9 Подставив (4) в (1) и (2), получим U(p) = E γ (p + γ) zH(p) ch p(τ − τx) + zbΠ sh p(τ − τx) zH(p) ch pτ + zbΠ sh pτ + + zH(p) ch p(τ − τx) + zbC sh p(τ − τx) zH(p) ch pτ + zbC sh pτ n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ; (5) I(p) = E zbΠ γ (p + γ) zH(p) ch p(τ − τx) + zbΠ sh p(τ − τx) zH(p) ch pτ + zbΠ sh pτ + + zH(p) ch p(τ − τx) + zbC sh p(τ − τx) zbC [zH(p) ch pτ + zbC sh pτ ] n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k . (6) Для режима холостого хода (RH = ∞). Выражения (5) и (6) примут вид Uxx(p) = [ Eγ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] ch p(τ − τx) ch pτ ; (7) Ixx(p) = [ E zbΠ γ (p + γ) + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] sh p(τ − τx) ch pτ . (8) Несмотря на то что zH = ∞, ток i(t, x) в линии существует ввиду того, что имеются кон- туры, соединяющие провода линии (см. рис. 1). Нахождение оригиналов изображений (7) и (8) можно осуществить с помощью способа Даламбера, приведенного в работе [4]. Для этого представим гиперболические функции в (7) и (8) в следующем виде [5]: ch p(τ − τx) ch pτ = ep(τ−τx) + e−p(τ−τx) epτ + e−pτ = e−pτx + e−p(2τ−τx) 1 + e−2pτ ; (9) sh p(τ − τx) ch pτ = ep(τ−τx) − e−p(τ−τx) epτ + e−pτ = e−pτx − e−p(2τ−τx) 1 + e−2pτ . (10) Заметим, что выражение 1/(1 + e−2pτ ) является суммой убывающей геометрической прогрессии [5] с a1 = 1 и q = e−2pτ . Действительно, сумма этой прогрессии Sn = a1[1 − (e−2pτ )n] 1 + e−2pτ при n = ∞ равна 1/(1 + e−2pτ ). Сама геометрическая прогрессия имеет вид 1 − e−2pτ + + e−4pτ − e−6pτ · · · . Подставляя эту прогрессию в (7) и (8), соответственно получим Uxx(p) = [ Eγ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] [e−pτ + e−p(2τ−τx) − e−p(2τ+τx) − − e−p(4τ−τx) + e−p(4τ+τx) − · · · ]; (11) Ixx(p) = [ Eγ zbΠ(p + γ) + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] [e−pτx − e−p(2τ−τx) − e−p(2τ+τx) + + e−p(4τ−τx) + e−p(4τ+τx) − e−p(6τ−τx) − e−p(6τ+τx) + · · · ]. (12) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 71 Известно [4], что единичная функция 1(t1) имеет изображение Карсона e−pt1 . Учитывая это свойство, получим оригиналы изображений (10) и (11) с использованием таблиц [4] в виде Uxx(t) = [ E(1 − e−γt) + e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × [1(τx) + 1(2τ − τx) − 1(2τ + τx) − 1(4τ − τx) + 1(4τ + τx) · · · ], (13) i(t) = [ E zbΠ (1 − e−γt) + 1 zbC e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × [1(τx) − 1(2τ − τx) − 1(2τ + τx) + 1(4τ − τx) + 1(4τ + τx) · · · ]. (14) Выразим единичные функции 1(τx), 1(2τ − τx), 1(2τ + τx), 1(4τ + τx), (4τ + τx), явля- ющиеся скачкообразными и входящие в выражения (13), (14), в виде суммы слагаемых, определяемых по новой концепции о переходных процессах [2]. В результате получим U(t) = [ E(1 − e−γt) + e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × 〈{ (−e−γτx) + e−γτx n ∑ k=1 Uxk cos ωxkτx } + + { [1 − e−γ(2τ−τx)] + e−γ(2τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos[ωxk(2τ − τx)] } − − { [1 − e−γ(2τ+τx)] + e−γ(2τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos[ωxk(2τ + τx)] } − − { [1 − e−γ(4τ+τx)] + e−γ(4τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos[ωxk(4τ − τx)] } + + { [1 − e−γ(4τ+τx)] + e−γ(4τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos[ωxk(4τ + τx)] }〉 , (15) ixx(t) = [ E zbΠ (1 − e−γt) + 1 zbC e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × 〈[ (1 − e−γτx) + e−γτx n ∑ k=1 Uxk cos ωxkτx ] − − { [(1 − e−γ(2τ−τx))] + e−γ(2τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ − τx) } − − { [(1 − e−γ(2τ+τx))] + e−γ(2τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ + τx) } + 72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9 + { [(1 − e−γ(4τ−τx))] + e−γ(4τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ − τx) } + + { [(1 − e−γ(4τ+τx))] + e−γ(4τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ + τx) }〉 , (16) где Uxk = Ux1/(πωxk); n ∑ k=1 Uxk = 1. В выражении (16) знаменатель при постоянных напряжениях zbΠ, а при гармоничес- ких — zbC . Далее в выражениях (15) и (16) считаем, что для всех единичных функций коэффициент затухания γ один и тот же. Также считаем, что число затухающих гармоник с частотами ωk, ωxk также одинаковое. Итак, напряжение и ток в любой точке линии на холостом ходу при включении ее на E · 1(t) изменяется в соответствии с (15) и (16) по сложным законам, включающим в себя скачки их, затухающие экспоненты и ряды затуха- ющих гармоник, называемых, в общем, нами пачкой волн. Первая пачка волн напряжения появляется в наблюдаемой точке x в момент τx = x/v сразу же после включения ЭДС E · 1(t). Вторая пачка волн, отраженных от конца линии, имеет тот же знак, что и первая, но прибывает к точке наблюдения x через время 2(τ − τx), т. е. с запаздыванием, определя- емым двойным пробегом (падающей и отраженной пачки волн) участка линии (l−x) и т. д. Так как zH = ∞, то отраженная пачка волн имеет тот же знак, что и падающая, и поэтому напряжение удваивается. При отражении пачки волн от начала линии знак волн противо- положный падающим волнам и поэтому напряжение становится номинальным. Пачки волн тока i(t) появляются в точке наблюдения x в те же моменты времени, что и напряжения U(t), но при отражении от конца линии меняют свой знак и поэтому ток i(t) падает до нуля. При отражении пачки волн тока i(t) от начала линии пачка волн сохраняет свой знак с па- дающими волнами и i(t) изменяется от нуля до величины, определяемой выражением (16). Далее рассмотрим режим короткого замыкания. В этом случае zH = 0 и zH(p) = 0 и выражения (1) и (2) принимают вид соответственно U(p) = U1(p) sh p(τ − τx) sh pτ ; I(p) = U1(p) zb ch p(τ − τx) ch pτ , или, с учетом разложения скачкообразной функции U1(t) = E · 1(t), U(p) = [ E γ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] sh p(τ − τx) sh pτ ; (17) I(p) = [ E zbΠ γ p + γ + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] ch p(τ − τx) sh pτ . (18) Решение также осуществим с помощью метода Даламбера. Преобразуем (17) и (18) в ря- ды изображений, а затем, пользуясь таблицами [4], получим оригиналы U(t) и i(t). Здесь также представим ch pτ = (epτ + e−pτ )/2 и sh pτ = (epτ − e−pτ )/2. Тогда (17) и (18) запишем так: U(p) = [ E γ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] e−pτx − e−p(2τ−τx) 1 − e−2pτ ; (19) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 73 I(p) = [ E zbΠ γ p + γ + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] e−pτx + e−p(2τ−τx) 1 − e−2pτ . (20) В (19), (20) выражение (1 − e−2pτ )−1 является суммой убывающей геометрической про- грессии с a1 = 1, q = e−2pτ . Поэтому U(p) = [ E γ p + γ + n ∑ k=1 Uak p(p+γ) (p+γ)2+ω2 k ] [e−pτx−e−p(2τ−τx)][1+e−2pτ +e−4pτ +· · · ]= = [ E γ p + γ + n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] [e−pτx − e−p(2τ−τx) + e−p(2τ+τx) − − e−p(4τ−τx) + e−p(4τ+τx) · · · ], (21) I(p) = [ E zbΠ γ p+γ + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p+γ) (p+γ)2+ω2 k ] [e−pτx +e−p(2τ−τx)][1+e−2pτ +e−4pτ +· · · ]= = [ E zbΠ γ p + γ + 1 zbC n ∑ k=1 Uakp(p + γ) (p + γ)2 + ω2 k ] [e−pτx + e−p(2τ−τx) + e−p(2τ+τx) − − e−p(4τ−τx) + e−p(4τ+τx) · · · ]. (22) Имея в виду теорему запаздывания, по которой f(t − t1) · 1(t1) ⇄ e−pt1F (p), где F (p) ⇄ f(t), на основании таблиц оригиналов [4] получим U(t) = [ E(1 − e−γt) + e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × [(1 − τx) − 1(2τ − τx) + 1(2τ + τx) − 1(4τ − τx) + 1(4τ + τx) · · · ]; (23) i(t) = [ E zbΠ (1 − e−γt) + e−γt zbC n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × ×[(1 − τx) + 1(2τ − τx) + 1(2τ + τx) + 1(4τ − τx) + 1(4τ + τx) · · · ]. (24) В выражениях (23), (24) представим единичные функции 1(τx), 1(2τ − τx), 1(2τ + τx), 1(4τ + τx), (4τ + τx), . . . в виде суммы составляющих, определяемых по новой концепции о переходных процессах [3]. В результате получим U(t) = [ E(1 − e−γt) + e−γt n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × 〈{ (1 − e−γ(τ−τx)) + e−γ(τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(τ − τx) } − − { [1 − e−γ(2τ−τx)] + e−γ(2τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ − τx) } + 74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9 + { [1 − e−γ(2τ+τx)] + e−γ(2τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ + τx) } − − { [1 − e−γ(4τ−τx)] + e−γ(4τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ − τx) } + + { [1 − e−γ(4τ+τx)] + e−γ(4τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ + τx) } · · · 〉 , (25) ixx(t) = [ E zbΠ (1 − e−γt) + e−γt zbC n ∑ k=1 Uak cos ωkt ] × × 〈[ (1 − e−γ(τ−τx)) + e−γ(τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(τ − τx) ] + + { [(1 − e−γ(2τ−τx))] + e−γ(2τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ − τx) } + + { [(1 − e−γ(2τ+τx))] + e−γ(2τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(2τ + τx) } + + { [(1 − e−γ(4τ+τx))] + e−γ(4τ−τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ − τx) } + + { [(1 − e−γ(4τ+τx))] + e−γ(4τ+τx) n ∑ k=1 Uxk cos ωxk(4τ + τx) }〉 . (26) В выражении (26) при раскрытии скобок при постоянных числителях в знаменателе стоят zbΠ, а при гармонических — zbC . В выражениях (25), (26) величины коэффициентов затухания γ для всех разложений представлены одинаковыми. Эти коэффициенты значительно больше коэффициентов за- тухания, связанных с параметрами линии. В этих же формулах число гармоник n также для всех разложений взято одно и то же, так как фронты всех одиночных функций одни и те же. Поскольку в (25) сумма, соответствующая ряду, состоящему из единичных функ- ций, имеет перед слагаемыми чередующиеся знаки (±), то напряжение U(t) изменяется при t = 0 от 0 и при t = ∞ до E. В (26) слагаемые ряда складываются. Поэтому ток i(t) растет до бесконечности при числе слагаемых, равном бесконечности, что соответствует режиму короткого замыкания. Заметим, что если принять γ = ∞, то формулы, представ- ленные в соответствии с новой концепцией о переходных процессах, преобразовываются в выражения, определяемые прежней теорией [4]. Однако, по новой концепции, в линии наблюдается, кроме одной волны (падающей и отраженной), пачка соответствующих волн, затухающих с коэффициентом γ волн. Эти волны могут проходить не только по линии, но и по межпроводным емкостям. Таким образом, в результате применения при рассмотрении переходных процессов в электроцепи с распределенными параметрами новой концепции [2, 3] выявляются до- ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 75 полнительные физические явления в линиях при включении их на постоянное скачкообраз- ное напряжение, представляющее собой совокупность быстро затухающих пачек падающих и отраженных волн. 1. Божко А. Е. К концепции о переходных процессах в электроцепях // Доп. НАН України. – 2003. – № 12. – С. 72–75. 2. Божко А.Е. Новая интерпретация переходных процессов в электрических цепях // Там само. – 2004. – № 9. – С. 83–87. 3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – Москва: Высш. шк., 1978. – 528 с. 4. Гинзбург С. Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. – Москва: Сов. радио, 1959. – 404 с. 5. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. – Москва: ГИТТЛ, 1956. – 608 с. Поступило в редакцию 28.11.2005Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков 76 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3135
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-07T13:09:26Z
publishDate 2007
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Божко, А.Е.
2009-07-01T09:28:15Z
2009-07-01T09:28:15Z
2007
Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 69-76. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3135
621.3(0758)
A mathematical interpretation of transient processes in electrocircuits with distributed parameters is given. A line without losses on the idling and the short-circuit mode is considered.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Енергетика
Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
Article
published earlier
spellingShingle Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
Божко, А.Е.
Енергетика
title Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_full Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_fullStr Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_full_unstemmed Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_short Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_sort комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
topic Енергетика
topic_facet Енергетика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3135
work_keys_str_mv AT božkoae kombinacionnyianalizperehodnyhprocessovvélektrocepâhsraspredelennymiparametrami