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.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2007
1. Verfasser: Божко, А.Е.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/3135
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren: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
id irk-123456789-3135
record_format dspace
spelling irk-123456789-31352009-07-02T12:00:26Z Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами Божко, А.Е. Енергетика 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. 2007 Article 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 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/3135 621.3(0758) ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Енергетика
Енергетика
spellingShingle Енергетика
Енергетика
Божко, А.Е.
Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
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.
format Article
author Божко, А.Е.
author_facet Божко, А.Е.
author_sort Божко, А.Е.
title Комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
title_short 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_sort комбинационный анализ переходных процессов в электроцепях с распределенными параметрами
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2007
topic_facet Енергетика
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/3135
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.
work_keys_str_mv AT božkoae kombinacionnyjanalizperehodnyhprocessovvélektrocepâhsraspredelennymiparametrami
first_indexed 2025-07-02T06:25:12Z
last_indexed 2025-07-02T06:25:12Z
_version_ 1836515341066305536
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