Как отмечалось в предыдущей лекции, линейная цепь охвачена единым переходным процессом. Поэтому в рассматриваемых цепях с одним накопителем энергии (катушкой индуктивности или конденсатором) – цепях первого порядка – постоянная времени будет одной и той же для всех свободных составляющих напряжений и токов ветвей схемы, параметры которых входят в характеристическое уравнение.

Общий подход к расчету переходных процессов в таких цепях основан на применении теоремы об активном двухполюснике: ветвь, содержащую накопитель, выделяют из цепи, а оставшуюся часть схемы рассматривают как активный двухполюсник А (эквивалентный генератор) (см. рис.1, а) со схемой замещения на рис. 1,б.

Совершенно очевидно, что постоянная времени здесь для цепей с индуктивным элементом определяется, как:

 ,

и с емкостным, как:

 ,

где   - входное сопротивление цепи по отношению к зажимам 1-2 подключения ветви, содержащей накопитель энергии.

Например, для напряжения на конденсаторе в цепи на рис. 2 можно записать

 ,

где в соответствии с вышесказанным

 .

Переходные процессы при подключении последовательной
R-L-C-цепи к источнику напряжения

Рассмотрим два случая:

а)  ;

б)  .

Согласно изложенной в предыдущей лекции методике расчета переходных процессов классическим методом для напряжения на конденсаторе в цепи на рис. 3 можно записать

.

(1)

Тогда для первого случая принужденная составляющая этого напряжения

.

(2)

Характеристическое уравнение цепи

 ,

решая которое, получаем

 .

В зависимости от соотношения параметров цепи возможны три типа корней и соответственно три варианта выражения для свободной составляющей:

1.   или  , где   - критическое сопротивление контура, меньше которого свободный процесс носит колебательный характер.

В этом случае

.

(3)

2.   - предельный случай апериодического режима.

В этом случае   и

.

(4)

3.   - периодический (колебательный) характер переходного процесса.

В этом случае   и

,

(5)

где   - коэффициент затухания;   - угловая частота собственных колебаний;   - период собственных колебаний.

Для апериодического характера переходного процесса после подстановки (2) и (3) в соотношение (1) можно записать

 .

Для нахождения постоянных интегрирования, учитывая, что в общем случае   и в соответствии с первым законом коммутации  , запишем для t=0 два уравнения:

решая которые, получим

 ;               .

Таким образом,

 .

Тогда ток в цепи

и напряжение на катушке индуктивности

 .

На рис. 4 представлены качественные кривые  ,   и  , соответствующие апериодическому переходному процессу при  .

Для критического режима на основании (2) и  (4) можно записать

 .

При 

Таким образом

и

 .

Для колебательного переходного процесса в соответствии с (2) и (5) имеем

 .

Для нахождения постоянных интегрирования запишем 

откуда    и  .

Тогда

 .

На рис. 5представлены качественные кривые   и  , соответствующие колебательному переходному процессу при  .

При подключении R-L-C-цепи к источнику синусоидального напряжения для нахождения принужденных составляющих тока в цепи и напряжения на конденсаторе следует воспользоваться символическим методом расчета,  в соответствии с которым

и

 ,

где  ;  ;   .

Таким образом,

         и      .

Здесь также возможны три режима:

1.  ;	2.	3.

Наибольший интерес представляет третий режим, связанный с появлением во время переходного процесса собственных колебаний с частотой  . При этом возможны, в зависимости от соотношения частот собственных колебаний и напряжения источника, три характерные варианта: 1 -  ; 2 -  ; 3 -  , - которые представлены на рис. 6,а…6,в соответственно.

Литература

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Контрольные вопросы

1. Как можно определить постоянную времени в цепи с одним накопителем энергии по осциллограмме тока или напряжения в какой-либо ветви?
2. Определить, какой процесс: заряд или разряд конденсатора в цепи на рис. 2 – будет происходить быстрее?

Ответ: заряд.

3. Влияет ли на постоянную времени цепи тип питающего устройства: источник напряжения или источник тока?
4. В цепи на рис. 2  , С=10 мкФ. Чему должна быть равна индуктивность L катушки, устанавливаемой на место конденсатора, чтобы постоянная времени не изменилась?

Ответ: L=0,225 Гн.

5. Как влияет на характер переходного процесса в R-L-C-контуре величина сопротивления R и почему?
6. Определить ток   через катушку индуктивности в цепи на рис. 7, если  ;  ;  ;  ;  .

Ответ:  .



7. Определить ток   в ветви с конденсатором в цепи на рис. 8, если  ;  ;  ;  .

Ответ:  .