Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов

We give a solution of the problem on transient processes in RL- and RC-circuits under an input rectangular pulse voltage represented in the form of a special expansion.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автор: Божко, А.Е.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3819
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 94-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860159402954194944
author Божко, А.Е.
author_facet Божко, А.Е.
citation_txt Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 94-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
description We give a solution of the problem on transient processes in RL- and RC-circuits under an input rectangular pulse voltage represented in the form of a special expansion.
first_indexed 2025-12-07T17:54:10Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 12 • 2007 ЕНЕРГЕТИКА УДК 621Ю31(0758) © 2007 Член-корреспондент НАН Украины А.Е. Божко Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC -цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов We give a solution of the problem on transient processes in RL- and RC-circuits under an input rectangular pulse voltage represented in the form of a special expansion. В работах [1–3] представлено обоснование применимости особого разложения скачкообраз- ной функции E1(t) в виде E1(t) = E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt, Uak = Ua1 ωk , Ua1 = E πω1 , n ∑ k=1 Uak = E, ωk = kω1, (1) где 1(t) — единичная функция ( 1(t) = 1 при t > 0 1(t) = 0 при t < 0 ) ; E — величина функции E1(t); α — коэффициент затухания; t — время; Uak, ωk — амплитуда и круговая частота k-й гармоники соответственно. В работе [1] приведен расчет переходных процессов в RL-, RC -цепях при скачкообраз- ном входном напряжении E1(t). В реальных условиях бывает, что на вход RL-, RC -цепей поступают одиночные или периодические прямоугольные импульсы с амплитудой E, дли- тельностью τ и паузой τn при периодических импульсах. В этом случае одиночный прямо- угольный импульс с бесконечно малыми передним и задним фронтами представляет собой сумму скачкообразных функций E1(t) и E1(t−τ), которая при рассмотрении рис. 1 и учете разложения (1) имеет вид E(0, τ) = E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt − E[1 − ℓ−α(t−τ)] − − ℓ−α(t−τ) n ∑ k=1 Uak cos ωk(t − τ). (2) 94 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №12 Рис. 1 Рис. 2 Из рис. 1 видно, что во время t = (0 ÷ τ) величина импульса после затухания, опре- деляемого коэффициентом затухания α, когда выражение ℓ−αt в (2) станет равным нулю, принимает значение E. Кроме того, при t = 0 E(0, τ) = E, так как n ∑ k=1 Uak = E, что соот- ветствует условию существования скачкообразной функции { 1(t) = 1 при t > 0 1(t) = 0 при t < 0 } . При t = ∞ E(0, τ) = 0, т. е. импульса нет. Если принять, что коэффициент затухания α = ∞, то в промежутке t = (0÷τ) E(0, τ) = = E, а после t = τ E(0, τ) = 0, что подтверждает правильность (2). Таким образом, импульс E(0, τ) формируем с помощью разности скачкообразных функ- ций E1(t) − E1(t − τ), представленных в виде особого разложения (2). Будем считать, что такой прямоугольный импульс существует в промежутке (0 ÷ τ) с учетом только E1(t) = = E[1− ℓ−αt] + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt. Разность E1(t)−E1(t− τ) возникает в момент τ и после него, так как E1(t − τ) = { E при t > τ 0 при t < τ } . В данной задаче предполагаем, что рассматриваемый прямоугольный импульс подается на вход RL и RC цепей, представленных на рис. 2, а, б соответственно, где Кл — ключ; R — резистор; L — индуктивность; C — емкость. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 95 Дифференциальные уравнения этих схем в данном случае следующие: E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt − E[1 − ℓ−α(t−τ)] − ℓ−α(t−τ) n ∑ k=1 Uak cos ωk(t − τ) = = Ri + L di dt , (3) E(1 − ℓ−αt) + ℓ−αt n ∑ k=1 Uak cos ωkt − E[1 − ℓ−α(t−τ)] − ℓ−α(t−τ) n ∑ k=1 Uak cos ωk(t − τ) = = UC + RC dUC dt , (4) где i, UC — ток в цепи RL и напряжение на емкости C в цепи RC соответственно. В выражениях (3), (4) cos ωk(t − τ) представим в виде разложения cos ωk(t − τ) = = (cos ωkt) cos ωkτ +(sinωkt) sin ωkτ . В дальнейшем рассмотрим изменение тока i(t) в RL-це- пи, а затем, ввиду идентичной формы уравнений (3) и (4), осуществим выводы относительно напряжения UC в RC -цепи. При решении используем операционный метод с изображения- ми Карсона [4]. Изображение, соответствующее оригиналу, представленному в левых частях уравнений (3), (4), имеет вид E(p) = E α p + α − E + Eℓατ p p + α + n ∑ k=1 Uak p(p + α) (p + α)2 + ω2 k − − ℓ−ατ n ∑ k=1 Uak(cos ωkτ) p(p + α) (p + α)2 + ω2 k − ℓ−ατ n ∑ k=1 Uak(sin ωkτ) ωkp (p + α)2 + ω2 k . (5) На основании (5) изображение, соответствующее (3), имеет вид E(p) = I(p)(R + Lp), откуда, с учетом (5), запишем изображение тока I(p) = Eα L 1 (p + α)(p + δ) − E L(p + δ) + Eℓατ L p (p + α)(p + δ) + + n ∑ k=1 Uak L p(p + α) (p + δ)[(p + α)2+ω2 k ] − ℓ−ατ n ∑ k=1 Uak L (cos ωkτ) p(p + α) (p + δ)[(p + α)2+ω2 k ] − − ℓ−ατ n ∑ k=1 Uak L (sin ωkτ) ωkp (p + δ)[(p + α)2 + ω2 k ] , (6) где δ = R/L — коэффициент затухания в RL-цепи. Оригинал тока i(t) состоит из шести слагаемых, которые включены в (6). Поэтому будем определять оригиналы этих слагаемых, а затем представим выражение общего оригинала i(t), пользуясь таблицами [4]. Для первых трех слагаемых в (6) оригинал имеет вид i1(t) = Eα L [ 1 αδ + 1 α−δ ( 1 α ℓ−αt− 1 δ ℓ−δt )] − E L 1 δ (1−ℓ−δt)+ Eℓατ L [ 1 α−δ (−ℓ−αt+ℓ−δt) ] . (7) 96 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №12 Оригиналы, соответствующие остальным слагаемым в (6), будем находить для k-го сла- гаемого в своей сумме ( n ∑ k=1 · · · ) , а затем результаты складывать. Заметим, что второе и тре- тье слагаемое в (6) имеют похожий вид. Поэтому для k-й составляющей этих слагаемых осуществим следующее представление: Uak L (1 − ℓ−ατ cos ωkτ) p(p + α) (p + δ)[(p + α)2 + ω2 k ] . (8) Оригинал изображения (8) находим по таблицам Т.39 и Т.40 из [4] в виде Ukpα (p + δ)[(p + α)2 + ω2 k ] ⇄ Uk α (α − δ)2 + ω2 k × × { ℓ−δt + ℓ−αt ωk [−ωk cos ωkt + (δ − α) sin ωkt] } = i2(t), (9) Ukp 2 (p + δ)[(p + α)2 + ω2 k ] ⇄ Uk 1 (α − δ)2 + ω2 k × × { −δℓ−δt + ℓ−αt ωk [ωkδ cos ωkt + (ω2 k + α2 − αδ) sin ωkt] } = i3(t), (10) где Uk = Uak L (1 − ℓ−ατ cos ωkτ ). Далее перейдем к определению оригинала изображения Uak L ℓ−ατωk sinωkτ p (p + δ)[(p + α)2 + ω2 k ] , который находится по таблице Т.39 из [4] в виде Ek 1 (α − δ)2 + ω2 k { ℓ−δt + ℓ−αt ωk [−ωk cos ωkt + (δ − α) sin ωkt] } = i4(t), (11) где Ek = Uak L ℓ−ατωk sin ωkτ . Складывая выражения (7) и в своих суммах ( n ∑ k=1 · · · ) выражения (9), (10), (11), получим в результате общий оригинал тока i(t) в виде i(t) = Eα L [ 1 αδ + 1 α − δ ( 1 α ℓ−αt − 1 δ ℓ−δt )] − E Lδ (1 − ℓ−δt) + + Eℓατ L [ 1 α − δ (−ℓ−αt + ℓ−δt) ] + 1 L n ∑ k=1 Uak α (α − δ)2 + ω2 k × × { ℓ−δt+ ℓ−αt ωk [−ωk cos ωkt + (δ − α) sin ωkt] } + Uak L (1 − ℓ−ατ cos ωkτ) × × 1 (α − δ)2 + ω2 k { −δℓ−δt + ℓ−αt ωk [ωkδ cos ωkt + (ω2 k + α2 − αδ) sin ωkt] } − − Uak L ℓ−ατωk(sin ωkτ) { ℓ−δt + ℓ−αt ωk [−ωk cos ωkt + (δ − α) sin ωkt] } . (12) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 97 Выражение (12) отражает процесс изменения тока i(t) в RL-цепи при включении на ее вход одиночного прямоугольного импульса (0÷τ), описываемого в виде особого разложения скачкообразной функции [1]. Заметим, что при проверке (2) путем подстановки t = 0 и t = = ∞, т. е. до начала входного импульса и после его прохождения i (при t = ∞) ток i(t) = 0, а в промежутке времени (0 ÷ τ) ток i(t) описывается выражением (12). В случае, если на входе RL-цепи будет следовать ряд прямоугольных импульсов с длительностью пауз такой, что ток i(t) в течение паузы равен нулю, то для расчета тока при последующих импульсах выражение (12) также справедливо. Следует отметить, что при расчете переходных процессов в рассматриваемых цепях при входных прямоугольных импульсах надо брать во внимание для переднего фронта входное напряжение вида (1), а для заднего фронта −E[1 − ℓ−α(t−τ)] − ℓ−α(t−τ) n ∑ k=1 Uak cos ωk(t − τ) при условии для последнего при t = 0 не нулевые начальные условия, т. е. для тока i(t) E/R и напряжения UC0 . Переходный процесс тока i(t) при включении RL-цепи на напряжение (1) имеет вид i(t) = Eα L [ 1 αδ + 1 α − δ ( 1 α ℓ−αt − 1 δ ℓ−δt )] + + n ∑ k=1 Uak L 1 (α − δ)2 + ω2 k {(α − δ)ℓ−δt + ℓ−αt[−(α − δ) cos ωkt + ωk sinωkt]}. (13) При t = 0 (0) = 0, при t = ∞ i(∞) = E/(Lδ) = E/R, т. е. данная проверка подтверждает правильность (13). Если предположить, что коэффициент затухания α = ∞, то тогда (13) принимает вид i(t) = E Lδ (1 − ℓ−δt) = E R (1 − ℓ−δt). (14) Выражение (14) является результатом расчета переходного процесса тока i(t) в RL-цепи классическим методом. А это значит, что решение в виде (13) при условии α = ∞ не противоречит известным методам [4, 5]. Рассмотрение переходного процесса i(t) во время заднего фронта входного прямоуголь- ного импульса при наличии установившегося значения тока i(t) = E/R можно считать искусственно привязанным к нулевому отсчету времени. А это означает, что выражение переходного процесса тока i(t) будет следующим: i(t) = E(1 − ℓ−δt) − Eα L [ 1 αδ + 1 α − δ ( 1 α ℓ−αt − 1 δ ℓ−δt )] − − n ∑ k=1 Uak L 1 (α − δ)2 + ω2 k {(α − δ)ℓ−δt + ℓ−αt[−(α − δ) cos ωkt + ωk sinωkt]}. (15) Проверка (15) дает такие результаты: при t = 0 i(t) = E(1 − ℓ−δt)/R, при t = ∞ i(t) = 0, при α = ∞ i(t) = E(1− ℓ−δt)ℓ−δt, что также подтверждает правильность данного решения. При такой проверке считаем, что α ≫ δ и экспонента (1− ℓ−αt) на вершине импульса равна единице, т. е. во входном напряжении полностью произошло затухание составляющих. 98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №12 Далее перейдем к RC -цепи (см. рис. 2, б ). Сравнивая уравнения (3) и (4), не вдаваясь в физику процесса, видим, что они по форме идентичны. Правые части их могут быть выражены следующим образом: L ( R L i + di dt ) и RC ( 1 RC Uc + dUc dt ) . В RL-цепи R/L = δ, а в RC -цепи δ = 1/(RC), где еще раз отметим δ — коэффициент затухания. С учетом δ эти правые части имеют вид R δ ( δi + di dt ) и 1 δ ( δUc + dUc dt ) . Как видим, выражения за исключением множителя R в первом выражении по форме одинаковые. Левые части уравнений (3) и (4) также одинаковые. Поэтому можно считать, что выражение (12) по форме подходит для описания переходного процесса Uc(t) в RC -цепи ((12) необходимо разделить на R). Исходя из такого рассуждения, расчет переходного процесса Uc в RC -цепи опустим. Конечно, выражение (12) является более громоздким по сравнению с выражениями ис- следуемых переходных процессов известными методами [4, 5]. Однако, как было отмечено в работах [1, 3], представление скачкообразных входных сигналов электроцепей в виде осо- бого разложения более точно отражает физику начального участка переходного процесса. Именно это преимущество заставляет автора исследовать переходные процессы в различ- ных цепях, представляя математически скачкообразные входные сигналы в виде особого разложения. 1. Божко А. Е. Новая интерпретация переходных процессов в электрических цепях // Доп. НАН Укра- їни. – 2004. – № 9. – С. 83–87. 2. Божко А.Е. О новой трактовке переходных процессов в электрических цепях переменного тока // Там само. – 2005. – № 4. – С. 81–86. 3. Божко А. Е. Аргументация новой концепции о переходных процессах в электроцепях с позиций вол- новой механики // Там само. – 2006. – № 3. – С. 83–88. 4. Гинзбург С. Г. Методы решения задач по переходным процессам в электрических цепях. – Москва: Сов. радио, 1959. – 404 с. 5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – Москва: Высш. шк., 1978. – 528 c. Поступило в редакцию 30.11.2006Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного НАН Украины, Харьков ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №12 99
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3819
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:54:10Z
publishDate 2007
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Божко, А.Е.
2009-07-10T11:22:36Z
2009-07-10T11:22:36Z
2007
Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов / А.Е. Божко // Доп. НАН України. — 2007. — № 12. — С. 94-99. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3819
621Ю31(0758)
We give a solution of the problem on transient processes in RL- and RC-circuits under an input rectangular pulse voltage represented in the form of a special expansion.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Енергетика
Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
Article
published earlier
spellingShingle Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
Божко, А.Е.
Енергетика
title Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
title_full Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
title_fullStr Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
title_full_unstemmed Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
title_short Об аналитической интерпретации процессов в RL-, RC-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
title_sort об аналитической интерпретации процессов в rl-, rc-цепях с учетом особого разложения входных прямоугольных импульсов
topic Енергетика
topic_facet Енергетика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3819
work_keys_str_mv AT božkoae obanalitičeskoiinterpretaciiprocessovvrlrccepâhsučetomosobogorazloženiâvhodnyhprâmougolʹnyhimpulʹsov