Przejściowe procesy w obwodzie elektrycznym

Procesy przejściowe nie są niczym niezwykłym i są charakterystyczne nie tylko dla obwodów elektrycznych. Można przytoczyć wiele przykładów z różnych dziedzin fizyki i techniki, w których takie zjawiska występują.

Na przykład gorąca woda wlewana do naczynia jest stopniowo schładzana, a jej temperatura zmienia się od wartości początkowej do wartości równowagi równej temperaturze otoczenia. Wahadło wyprowadzone ze stanu spoczynku wykonuje tłumiące oscylacje i ostatecznie powraca do swojego pierwotnego stacjonarnego stanu stacjonarnego. Gdy podłączone jest elektryczne urządzenie pomiarowe, jego wskazówka, zanim zatrzyma się na odpowiedniej działce skali, wykonuje kilka oscylacji wokół tego punktu na podziałce.

Tryb stacjonarny i przejściowy obwodu elektrycznego

Analizując procesy w obwody elektryczne powinieneś napotkać dwa tryby działania: ustalony (stacjonarny) i przejściowy.

Tryb stacjonarny obwodu elektrycznego podłączonego do źródła stałego napięcia (prądu) to tryb, w którym prądy i napięcia w poszczególnych gałęziach obwodu są stałe w czasie.

W obwodzie elektrycznym podłączonym do źródła prądu przemiennego stan stacjonarny charakteryzuje się okresowym powtarzaniem chwilowych wartości prądów i napięć w gałęziach... We wszystkich przypadkach pracy obwodów w trybach stacjonarnych, które teoretycznie mogą trwać w nieskończoność przyjmuje się, że parametry sygnału aktywnego (napięcie lub prąd), jak również struktura obwodu i parametry jego elementów nie ulegają zmianie.

Prądy i napięcia w trybie stacjonarnym zależą od rodzaju oddziaływania zewnętrznego oraz parametrów celu elektrycznego.

Tryb przejściowy (lub proces przejściowy) nazywa się trybem, który występuje w obwodzie elektrycznym podczas przejścia z jednego stanu stacjonarnego do drugiego, który różni się w jakiś sposób od poprzedniego, a towarzyszące temu trybowi napięcia i prądy — napięcia przejściowe i prądy... Zmiana stanu ustalonego obwodu może nastąpić w wyniku zmiany sygnałów zewnętrznych, w tym włączenia lub wyłączenia źródła wpływu zewnętrznego, lub może być spowodowana przełączeniem samego obwodu.

Każda zmiana w obwodzie elektrycznym, która powoduje wystąpienie stanu przejściowego, nazywana jest komutacją.

Przełączanie obwodu elektrycznego — proces przełączania połączeń elektrycznych elementów obwodu elektrycznego, odłączanie urządzenia półprzewodnikowego (GOST 18311-80).

W większości przypadków teoretycznie dopuszczalne jest założenie, że przełączenie następuje natychmiastowo, tj. różne przełączenia w obwodzie są wykonywane bez poświęcania dużo czasu. Proces przełączania na schematach jest zwykle pokazany strzałką w pobliżu przełącznika.

Procesy przejściowe w rzeczywistych obwodach są szybkie... Ich czas trwania to dziesiąte, setne, a często milionowe części sekundy. Stosunkowo rzadko czas trwania tych procesów sięga kilku sekund.

Naturalnie powstaje pytanie, czy generalnie konieczne jest uwzględnianie reżimów przejściowych o tak krótkim czasie trwania. Odpowiedź można udzielić tylko dla każdego konkretnego przypadku, ponieważ w różnych warunkach ich rola nie jest taka sama. Ich znaczenie jest szczególnie duże w urządzeniach przeznaczonych do wzmacniania, formowania i przetwarzania sygnałów impulsowych, gdy czas trwania sygnałów działających na obwód elektryczny jest współmierny do czasu trwania modów przejściowych.

Transjenty powodują zniekształcenie kształtu impulsów, gdy przechodzą one przez obwody liniowe. Obliczenia i analiza urządzeń automatyki, w których występuje ciągła zmiana stanu obwodów elektrycznych, jest nie do pomyślenia bez uwzględnienia modów przejściowych.

W wielu urządzeniach występowanie procesów przejściowych jest na ogół niepożądane i niebezpieczne Obliczenie stanów przejściowych w tych przypadkach pozwala określić możliwe przepięcia i przyrosty prądu, które mogą być wielokrotnie większe od napięć i prądów sieci stacjonarnej tryb. Jest to szczególnie ważne w przypadku obwodów o znacznej indukcyjności lub dużej pojemności.

Przyczyny procesu przejściowego

Rozważmy zjawiska zachodzące w obwodach elektrycznych podczas przejścia z jednego trybu stacjonarnego do drugiego.

Włączamy żarówkę do obwodu szeregowego zawierającego rezystor R1, przełącznik B i źródło stałego napięcia E.Po zamknięciu włącznika lampa natychmiast się zaświeci, ponieważ nagrzewanie się żarnika i wzrost jasności jego blasku są niewidoczne dla oka. Warunkowo można założyć, że w takim obwodzie prąd stacjonarny jest równy Azo =E / (R1 + Rl), jest on instalowany prawie natychmiast, gdzie Rl — rezystancja czynna żarnika lampy.

W obwodach liniowych składających się ze źródeł energii i rezystorów przejściowe związane ze zmianą zmagazynowanej energii w ogóle nie występują.

Ryż. 1. Schematy ilustrujące procesy przejściowe: a — obwód bez elementów biernych, b — obwód z cewką indukcyjną, c — obwód z kondensatorem.

Zastąp rezystor cewką L, której indukcyjność jest wystarczająco duża. Po zamknięciu włącznika można zauważyć, że wzrost jasności świecenia lampy jest stopniowy. Pokazuje to, że dzięki obecności cewki prąd w obwodzie stopniowo osiąga swoją wartość stanu ustalonego. I'około =E / (rDa se + Rl), gdzie rk — rezystancja czynna uzwojenia cewki.

Następny eksperyment zostanie przeprowadzony z obwodem składającym się ze źródła stałego napięcia, rezystorów i kondensatora, równolegle z którym łączymy woltomierz (ryc. 1, c). Jeśli pojemność kondensatora jest wystarczająco duża (kilkadziesiąt mikrofaradów), a rezystancja każdego z rezystorów R1 i R2 wynosi kilkaset kiloomów, to po zamknięciu przełącznika wskazówka woltomierza zaczyna płynnie odchylać się i dopiero po po kilku sekundach ustawia się na odpowiednią podziałkę skali.

Dlatego napięcie w kondensatorze, a także prąd w obwodzie, ustala się przez stosunkowo długi czas (bezwładność samego urządzenia pomiarowego w tym przypadku można pominąć).

Co uniemożliwia natychmiastowe ustanowienie trybu stacjonarnego w obwodach z ryc. 1, b, c i powód procesu przejścia?

Powodem tego są elementy obwodów elektrycznych zdolne do magazynowania energii (tzw. elementy bierne): induktor (ryc. 1, b) i kondensator (Ryc. 1, c).

Występowanie procesów przejściowych wiąże się ze specyfiką zmian rezerw energii w elementach biernych obwodu... Ilość energii zmagazynowanej w polu magnetycznym cewki indukcyjnej L, w której płynie prąd iL, wyraża wzór: WL = 1/2 (LiL2)

Energia zgromadzona w polu elektrycznym kondensatora o pojemności C naładowanego do napięcia ti° C jest równa: W° C = 1/2 (Cu° C2)

Ponieważ dopływ energii magnetycznej WL jest określony przez prąd w cewce iL i energię elektryczną W° C — napięcie w kondensatorze ti° C, to we wszystkich obwodach elektrycznych, w dowolnych trzech komutacjach, przestrzegane są dwa podstawowe warunki: prąd cewki a napięcie kondensatora nie mogą gwałtownie się zmieniać... Czasami przepisy te są inaczej sformułowane, a mianowicie: zależność strumienia cewki i ładunku kondensatora może zmieniać się tylko płynnie, bez skoków.

Fizycznie tryby przejścia to procesy przejścia stanu energetycznego obwodu z trybu przedkomutacyjnego do trybu postkomutacyjnego. Każdemu stanowi stacjonarnemu obwodu z elementami reaktywnymi odpowiada pewna ilość energii pól elektrycznych i magnetycznych.Przejście do nowego stanu stacjonarnego wiąże się ze wzrostem lub spadkiem energii tych pól i towarzyszy mu pojawienie się procesu przejściowego, który kończy się wraz z ustaniem zmiany zasilania. Jeżeli podczas przełączania stan energetyczny obwodu nie zmienia się, to nie występują stany przejściowe.

Procesy przejściowe obserwuje się podczas przełączania, gdy zmienia się tryb stacjonarny obwodu elektrycznego, który ma elementy zdolne do magazynowania energii. Przejścia występują podczas następujących operacji:

a) załączanie i wyłączanie obwodu,

B) zwarcie poszczególne gałęzie lub elementy łańcucha,

c) rozłączenia lub podłączenia odgałęzień lub elementów obwodu itp.

Ponadto stany przejściowe występują, gdy sygnały impulsowe są doprowadzane do obwodów elektrycznych.